银河系中央黑洞附近的恒星运动只能预测几百年

送烟激钟

银河系中心黑洞周围恒星运动的模拟。左边显示的是恒星的轨道。这些轨道已经计算了一万年。看起来星星不会偏离它们的轨道。右边的面板是拥挤中心附近的放大图。它揭示了恒星沿着它们的轨道有相当大的变化。例如，黄色轨道在这10，000年内的波动范围是地球到太阳距离的40倍。鸣谢:西蒙·波特吉斯·兹瓦特等人

（）据荷兰天文研究学院：27颗恒星紧紧围绕银河系中心的黑洞运行，它们的轨道如此混乱，以至于研究人员无法自信地预测它们在大约462年后会在哪里。这一发现来自荷兰和英国的三位天文学家的模拟。研究人员在《国际现代物理学杂志》和《皇家天文学会月报》上发表了他们的发现。

模拟27颗恒星以及它们彼此之间和与黑洞之间的相互作用，说起来容易做起来难。例如，几个世纪以来，预测两个以上相互作用的恒星、行星、岩石或其他物体的运动是不可能的。直到2018年，莱顿的研究人员才开发出一种计算机程序，其中舍入误差不再在计算中发挥作用。有了这个，他们能够计算出三颗假想恒星的运动。现在，研究人员扩大了他们的计划，以处理27颗恒星，按照天文学标准，这些恒星靠近银河系中心的黑洞。

对27颗大质量恒星和黑洞的模拟产生了一个惊喜。虽然恒星仍然在黑洞周围的轨道上，但恒星之间的相互作用表明轨道是混沌的。这意味着由潜在的相互作用引起的微小扰动会改变恒星的轨道。这些变化呈指数增长，从长远来看，使得恒星的轨道不可预测。

黑洞传递震动

“已经过了462年，我们无法有把握地预测轨道。这短得惊人，”天文学家西蒙·波特吉斯·兹瓦特(荷兰莱顿大学)说。他将其与我们的太阳系相比较，1200万年后，我们的太阳系不再是可预测的。

“所以，黑洞附近比我们的要混乱3万倍，我们根本没想到会这样。当然，太阳系要小大约2万倍，质量小几百万倍，只有8个相对较轻的物体，而不是27个大质量物体，但是，如果你事先问我，这应该没什么大不了的。”

根据研究人员的说法，混沌每次都以大致相同的方式出现。总有两到三颗星相互靠近。这导致了恒星间的相互推拉。这反过来导致恒星轨道略有不同。那些恒星环绕的黑洞然后被轻微推开，这反过来被所有的恒星感受到。这样，两颗恒星之间的微小相互作用就会影响到中央星团中的所有27颗恒星。

放大轨道

“我们的模拟每次运行10，000年。Tjarda Boekholt(2015年Portegies Zwart的前研究生，现在在英国牛津大学工作)说:“从鸟瞰的角度来看，恒星的轨道似乎不会随时间而改变。“只有当你开始放大一段轨道时，混乱的变化才变得可见。这些变化可以达到高达四十个天文单位的大值，这是地球到太阳距离的四十倍。”

研究人员喜欢把黑洞的混乱比作在城市中骑车。你知道大概需要多长时间，但是准确的时间是不可能预测的。如果一座桥开着，或者有人跳到你的自行车前面，你可能会晚几分钟到达。

“黑洞周围的恒星也是这样，”Portegies Zwart说。“你知道意外事件经常发生，并且会导致指数变化，这是我们现在可以测量的。但这意味着，462年后，银河系中心的黑洞和围绕它运行的27颗恒星不再是可以预测的了。我们不再能够可靠地预测那些恒星的位置和速度。”

对于Portegies Zwart和他的同事来说，462年并不重要。“462年当然很短，但我们的观点是，作为天文学家，我们必须以不同于以往的方式看待黑洞附近发生的事情，”Portegies Zwart说。“我们必须为它找到新的词语。例如，我开始与Tjarda Boekholt一起建立一个定义词汇表，只是因为没有任何现有的术语可以准确地捕捉到我们正在观察的这种新类型的混沌行为。”

断断续续的混乱

研究人员将这种现象称为“间歇混沌”这个术语是受进化生物学的启发，进化生物学中出现了相反的情况:所谓的间断平衡。这是关于物种内部的进化，那里经常有一个长期的平衡，只是偶尔被一个令人震惊的事件打破。

“在这项研究之前，你不知道模拟中的混沌是否有物理根源，或者它是否源于舍入误差和其他计算问题，”合著者Douglas Heggie说，他是爱丁堡大学(英国)退休但仍然活跃的数学家和天文学家，也是N体问题领域的先驱。

“我们已经在许多方面对模拟和基础计算进行了测试。我们的结果很可靠。我们现在能够对多恒星系统的混沌行为做出真实的陈述。这太棒了，”海格说。