围绕银河星中心黑洞旋转的恒星（ESO/L. Calçada/Spaceengine.org）
邻居是个老妖精，会吃掉其他人，好让自己永葆青春——结果老妖精被魔法反噬了。
撰文 | 冬鸢
审校 | 不周
和许多星系一样，我们的银河系中心也有一个巨大的黑洞——Sgr A*，其质量为太阳的400多万倍。它巨大的引力让大量的恒星聚集在自己周围，并绕着自己飞速旋转。这些恒星都是这个黑洞潜在的“食物”，或许终有一天会成为它的一部分。
Sgr A*的偏振图像（图片来源：EHT Collaboration, CC BY 4.0）
这也使得Sgr A*周围的宇宙空间变得异常拥挤。“距离太阳最近的恒星大约有4光年远，但在Sgr A*附近相同的距离内，有超过一百万颗恒星，”美国西北大学（Northwestern University）的天体物理学博士后研究员萨纳亚·罗斯（Sanaea Rose）说道。
不该存在的年轻恒星
这里的恒星大多质量很小、很暗且很古老。“黑洞附近的环境并不适合新恒星的形成，”加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的物理和天文学教授安德烈娅·盖兹（Andrea Chez）说，“黑洞往往会把周围的东西撕成碎片。但恒星形成需要一个温和的环境，让脆弱的气体尘埃云在自身引力的作用下坍缩。”而黑洞的引潮力会阻碍气体聚集，“你很难想象在这样的环境下，恒星该怎样形成。”盖兹补充道。
但令天文学家感到困惑的是，他们也在Sgr A*附近观测到了一些很亮的，貌似是新形成的年轻恒星，比如去年发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上的一项研究，就报告了Sgr A*附近一颗仅有几万岁的“婴儿”恒星——年龄比人类在地球上的历史还短。
天文学家将这一现象叫做“年轻悖论”（paradox of youth），即黑洞周围不应该有十分年轻的恒星，但研究者确实观测到了它们。
银河系中心的星团和气体云（图片来源：ESO/S. Gillessen et al.）
对此，天文学家提出了各种不同的解释。有研究认为，这些年轻恒星是在距黑洞较远的位置形成的，因为一些偶然因素在短时间内迁移到了黑洞附近；也有研究认为，黑洞附近一些区域的环境可能相对温和，适合新的恒星形成。上文提到的那颗 “婴儿”恒星的发现者就认为，这颗恒星形成于黑洞周围相对温和的环境中，然后迁移到了更靠近黑洞的位置。
而关于“年轻悖论”的第三种猜想则比较黑暗：这些所谓的“年轻”恒星其实并不年轻，它们是因为“吞噬”了附近的其它恒星，所以看起来更年轻了。
猛烈地击个掌
要解释它们为何会“吞噬”其它恒星，又如何变年轻，我们需要先理解这些恒星间紧张的“邻里关系“——黑洞引力让这些扎堆的恒星以每秒成百上千千米的速度运动。在这样的环境里，恒星之间很难不发生摩擦和碰撞。
“这就像在高峰时段的地铁站里奔跑，就算你不撞到别人，也经常会和别人擦肩而过。而对于恒星来说，就算是‘擦肩而过’也能导致它们通过引力发生相互作用，”罗斯说道。
为了探究摩擦和碰撞对这些恒星的影响， 罗斯和同事使用新模型追踪了1000颗模拟恒星绕Sgr A*运行的旅程。她们发现，在距黑洞0.1秒差距（1秒差距约等于3.26光年）的范围内，任何和我们的太阳质量差不多的恒星，在其生命旅程里都会经历至少一次碰撞。
当恒星非常靠近黑洞时（0.01秒差距范围内），它们的运行速度能达到每秒上千千米，此时恒星间的碰撞和摩擦十分频繁和剧烈。迎头相撞的两颗恒星，可能直接被摧毁。但许多情况下，恒星只是插肩而过，这样的撞击并不会摧毁它们，但会让它们损失一部分质量。
“它们互相擦过，然后继续前进，就像猛烈地击了个掌。”罗斯说，“这会导致恒星喷射出一些物质，损失掉外层质量。至于具体会损失多少质量，与它们移动的速度和碰撞时的重叠程度相关。这些碰撞导致黑洞周围出现了一群奇怪的、被剥离了外层的、低质量的恒星。”
但在距黑洞稍远一点的地方，是另一番景象。
吃掉你，让我变年轻
在距黑洞0.01秒差距到0.1秒差距的范围甚至更远的地方，恒星运行的速度相对较慢，大概每秒数百千米。这时，当两颗恒星碰撞或相擦时，由于速度不够快，它们可能逃不出彼此的引力束缚，从而导致一颗恒星被另一颗恒星“吞噬”掉。结果就是，它们在碰撞后并合成一颗更大的恒星。
此外，该区域内较小的恒星（比如太阳大小的恒星）还可能通过多次碰撞让自己的质量越来越大，最终变成一颗质量10倍于太阳甚至更多的恒星。
在这样的碰撞与并合中，“吞噬”掉自己邻居的恒星，会得到很多来自被“吞噬”恒星的氢。而氢正好是恒星燃烧的原料——这使它们变得更亮，也显得更年轻。
但显得年轻，并不代表它们一定会活得更长，因为碰撞融合过后，恒星质量变得更大了，而质量更大的恒星，燃烧氢的速率也就更快，它们最终的寿命可能反而比原来更短。
“它们很快就会死亡。”罗斯说，“大质量恒星就像巨大但耗油的汽车。虽然它们的燃料很丰富，但消耗燃料的速度也非常快。”
恒星的生命历程（图片来源：cmglee, NASA Goddard Space Flight Center - CC BY-SA 4.0）
相关的两项研究最近发表在了《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上。罗斯和同事的分析为“年轻悖论”的其中一种猜想提供了证据，也为我们银河系的历史提供了参考。
超大质量黑洞附近“是一个与众不同的环境”，罗斯说，“在这样一个异常拥挤的区域中，受到超大质量黑洞影响的恒星，与我们在太阳系附近看到的任何天体都不一样。但如果我们能了解这些恒星群，或许就能对银河系中心的形成过程有一些新的认识。至少，它无疑为我们生活的领域提供了一个可对照的参考。”
参考链接：
https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.82.3121
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acee75
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad251f
https://news.northwestern.edu/stories/2024/04/stellar-collisions-produce-strange-zombie-like-survivors/
https://blackholes.stardate.org/research/milky-way-star-clusters.php.html
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aca977
https://www.eurekalert.org/news-releases/981097#
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