银河系黑洞周围恒星为何缺少伴星？

引言

银河系中心潜伏着一个质量约为太阳400万倍的超大质量黑洞——人马座A*（Sgr A*）。在距离它仅0.04秒差距（约0.13光年）的极近轨道上，存在一群被称为S星团的年轻B型恒星。这些恒星的平均年龄只有几百万年，但按照传统恒星形成理论，如此靠近黑洞的区域根本不可能诞生恒星——黑洞的极端引力会在气体云坍缩之前就将其撕碎。天文学家将这一矛盾称为“青春悖论”。

两种形成假说

为了解释S星团的存在，学界提出了两种主要假说：

• 原位形成假说：认为这些恒星就在当前位置形成。大约600万年前，Sgr A*曾经历一次剧烈爆发，产生的强大外流压缩周围气体形成壳层，壳层随后碎裂并坍缩成恒星。这一机制被称为“气体壳碎片化”。
• 异位形成假说：认为恒星在更远处形成，后来才迁移到当前位置。可能的迁移路径包括：从外围已知的盘状结构向内迁移，或通过“希尔斯机制”——黑洞撕裂一个双星系统，捕获其中一颗，将另一颗以极高速度弹射出去。

然而，两种假说都面临挑战。原位形成需要解释为何恒星轨道具有高且近乎随机的偏心率；异位形成则难以解释为何只有B型恒星迁移而更重的O型和沃尔夫-拉叶星没有，且希尔斯机制几乎不会留下双星系统，这与近期在S星团中发现的双星系统D9矛盾。

双星比例的线索

一个关键线索来自双星比例。银河系中大质量恒星的双星比例约为69%±9%，但此前观测显示S星团附近的比例明显偏低。D9的发现促使研究团队重新审视这一问题。由葡萄牙科英布拉大学的罗德里戈·P·席尔瓦领导的团队，精确测定了S星团中双星系统的比例，结果为43%±9%。

为了检验原位形成假说能否解释这一数字，他们运行了计算机模拟。模拟追踪了10万个虚拟双星系统，持续100万年，并赋予它们与S星团实际观测一致的轨道参数。初始双星比例设为69%（与大质量恒星的标准一致），然后让引力和黑洞潮汐力发挥作用。

模拟结果

模拟追踪了每个双星的三种可能结局：保持完整、合并成单星、被撕裂（瓦解）。结果如下：

• 62%的双星存活下来
• 18%的双星合并为单星
• 20%的双星被黑洞潮汐力瓦解

由此预测的最终双星比例约为38%±10%，与观测值43%±9%在误差范围内吻合。研究还模拟了双星比例随距离黑洞远近的变化，结果与观测一致。

结论与展望

模拟结果强烈支持原位形成假说。研究团队在论文中写道：“这表明该区域存在共同的形成机制，向Sgr A*方向双星比例的下降主要由潮汐瓦解加剧所致。我们的发现支持原位形成场景，例如气体壳碎片化。”

未来更精确的观测——包括恒星运动速度和光谱的测量——将揭示更多双星系统的存在及其形成历史，进一步验证这一理论。该研究于2026年8月11日发表在《天文学与天体物理学》期刊上。

原标题：Why are the stars around our galaxy's black hole missing their companions?。 来源：phys.org。

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