银河系 · MILKY WAY

棒旋星系 · 中心超大质量黑洞人马座 A* · 实时
● 引力透镜:沿 Schwarzschild 零测地线逐像素追踪
● 吸积流为 230 GHz 伪彩色(光学波段不可见)
拖动 环绕 · 滚轮 缩放(跨 20 个数量级) · 1–0 视点 · T 巡游 · 空格 暂停 · H 隐藏界面 · 双击 全景
正在生成约 160 万颗恒星与星云粒子…

1 · 尺度与坐标

长度单位 kpc,时间单位百万年(Myr)。太阳到银心 R₀ = 8.276 kpc、人马座 A* 质量 4.30 × 10⁶ M☉,均取自 GRAVITY 2024 年对 S2 等恒星轨道的拟合。太阳在银盘上方 20.8 pc,绕银心的速度是 Θ₀ + V⊙ = 247 km/s,公转一圈约 2.06 亿年。它还以约 85 Myr 的周期上下穿过银盘。从北银极俯视,银河系顺时针转动。视距可从 800 kpc 连续缩放到 8 GM/c²,跨越约 20 个数量级;时间流速随画面的动力学时间自动调整,画面尺度上的一圈轨道约用 100 秒走完。

2 · 引力势与轨道

质量模型由七部分叠加:黑洞点质量、核星团(Plummer 分布,2.5 × 10⁷ M☉)、核星盘(Miyamoto–Nagai,1.05 × 10⁹ M☉)、核球(Hernquist,9.2 × 10⁹ M☉)、恒星盘与气体盘(Miyamoto–Nagai),以及 NFW 暗晕(McMillan 2017 的参数)。由此得到太阳处的圆速度 vc(R₀) = 232 km/s(Eilers 等 2019 年的测量值为 229 km/s),外盘缓慢下降,20 kpc 处为 224 km/s。每颗恒星的角频率 Ω、周转频率 κ 和垂直频率 ν 都由这个势算出,着色器和 CPU 端用的是同一组公式。

老年盘星沿本轮近似的轨道运动。旋臂按 Lin–Shu / Kalnajs 的运动学密度波处理:所有恒星本轮相位的强迫部分彼此关联,m = 2 的图样以 Ωp = 28.2 km/s/kpc 刚性转动(Dias 等 2019,共转半径 ≈ R₀)。恒星本身以 Ω(R) 穿过旋臂,所以旋臂不会缠绕起来。这个两臂图样拟合了 GLIMPSE 所示的两条主要恒星臂(英仙臂、盾牌–半人马臂;Churchwell 等 2009),拟合螺旋角为 11.8°。

银河棒以 Ωb = 39 km/s/kpc 转动(Portail 等 2017;目前文献值在 24–43 之间),今天的方位角为 27°,近端位于银经 l > 0 一侧(Wegg & Gerhard 2013)。核球恒星走棒坐标系中的 x₁ 环形轨道,其中一部分是 2:1 垂直共振的“香蕉”轨道。恒星在轨道端点停留最久,这些端点连起来就形成边缘视角下的 X 形花生状核球。长棒半长约 5 kpc,标高分为 180 pc 和 45 pc 两个成分(Wegg 等 2015)。

3 · 年轻恒星、HII 区与超新星

气体旋臂取自 Reid 等 2019 年用 147 个大质量恒星形成区脉泽的三角视差拟合的七条对数螺线(表 2,包括螺旋角折点)。超出观测范围的部分按文中描述外推:Norma 臂与外臂连成一条,平均螺旋角约 10°。年轻星团沿这些臂诞生,出生率按恒星形成率的径向分布加权(Elia 等 2022 的斜率为每 kpc −0.28 dex,为了显示外侧旋臂,这里放宽到 2.8 kpc 的标长)。星团诞生后以当地的 Ω(R) 运动,所以在共转半径以内会跑到旋臂前方。它们寿命有限,消亡后在别处重新诞生。HII 区只存在几百万年,会先膨胀再熄灭。打开“超新星频闪”后,大质量星团结束寿命时会闪出一次核坍缩超新星。

4 · 尘埃与体渲染

未分辨的星光、尘埃和 Hα 电离气体用半分辨率的体积光线步进计算,逐步求解辐射转移 dI/ds = j − κI。消光按 R、G、B 三个通道分别计算(Aλ/AV ≈ 0.78 : 1 : 1.32),因此尘埃带边缘会呈现真实的红化。尘埃盘标长 3.2 kpc、标高 95 pc,向外张开(Kalberla & Kerp 2009 的比例),中心 3 kpc 以内有空洞(Drimmel & Spergel 2001),并沿旋臂内侧的激波位置增强。

棒的前沿有两条尘埃带。中央分子区是约 100 × 60 pc、上下扭曲 ±15 pc 的 x₂ 轨道环(Molinari 等 2011;Kruijssen 等 2015)。再往里是 1.5–4 pc 的环核盘和三条微旋臂气流,后者按 Zhao 等 2009 年拟合的开普勒轨道流动。每颗恒星粒子也沿视线积分同一个尘埃场,得到各自的消光。

5 · 银心与人马座 A*

S 星团包括 39 颗恒星,轨道根数来自 Gillessen 等 2017 年的表 3;S2、S29、S38 和 S55 换成了 GRAVITY 2024 年的更新值。这些轨道在 CPU 上以双精度解开普勒方程,并逐圈叠加 Schwarzschild 进动 Δω = 3πRs/[a(1−e²)],S2 每圈进动 12.2′(GRAVITY 2020 已测到)。S2 的近心点距离约 120 AU,速度 7700 km/s,下次过近心点在 2034 年。

顺时针盘里约有 110 颗年轻 O 型星和 WR 星,轨道面取 i = 127°、Ω = 99°(Paumard 2006;Bartko 2009)。核星团扁率为 0.71,与银盘同向转动。拱门星团和五合星团位于投影距离约 30 pc 处。

靠近到 0.2 pc 以内时,会对每个像素追踪 Schwarzschild 度规中的光子轨道 u″ = 3u² − u(四阶 Runge–Kutta),得到黑洞阴影、光子环和背景星场的透镜像。远离黑洞的像素改用弱场偏折 α = (2M/b)(1 + cos θ)。吸积流是光学薄、几何厚的 RIAF:发射率 ∝ r−2.6,湍流纹理被较差自转拉伸,亮度按 g³ 计入多普勒效应与引力红移。转轴与视线的夹角约 25°,这是 EHT 2022 偏好的低倾角、顺时针方向。另有一个位于 8.5 GM/c²、周期约 55 分钟的热斑耀发,对应 GRAVITY 2018 的观测(R ≈ 7–10 Rg,P ≈ 45 分钟)。Sgr A* 在可见光波段被约 30 星等的消光遮住,所以吸积流按 230 GHz 伪彩色显示。

6 · 更外层的结构

外盘翘曲采用 Chen 等 2019 年用 1339 颗造父变星得到的幂律模型(Rw = 7.72 kpc),节点线以 10.9 km/s/kpc 进动(Poggio 等 2020)。恒星晕是扁率 0.6 的断裂幂律(Deason 等 2011)。球状星团共 157 个,按 ρ ∝ r−3.5 分布。大、小麦哲伦云放在实测的银心坐标上,距离分别为 49.6 kpc 和 62.4 kpc。恒星颜色由普朗克谱按 CIE 1931 色匹配函数积分得到。星芒模拟反射式望远镜的四条衍射星芒。

7 · 简化与不确定性

以下是本模拟的简化和尚未确定的地方:

• 旋臂的远侧尚无脉泽数据,这部分是外推的。
• 粒子数只有真实恒星的约 10⁻⁵,每个粒子代表一群恒星,未分辨的光由体渲染补足。
• 棒和旋臂各自按自己的图样速度转动,棒端与旋臂的连接会随时间错开。
• 暗晕没有显示。
• S 星的视线方向正负号约定未经核实,如果搞反,轨道会沿视线方向镜像。
• 银心处银道面的位置角取 31.4°。

参考文献

  1. GRAVITY Collaboration 2024, A&A 692, A242(M、R₀);2020, A&A 636, L5(S2 进动);2018, A&A 618, L10(热斑)
  2. Gillessen S. et al. 2017, ApJ 837, 30(S 星轨道表 3)
  3. EHT Collaboration 2022, ApJL 930, L12(Sgr A* 环直径 51.8 µas)
  4. Reid M. J. et al. 2019, ApJ 885, 131(旋臂、R₀、Θ₀)
  5. Churchwell E. et al. 2009, PASP 121, 213(GLIMPSE 两主臂)
  6. Dias W. S. et al. 2019, MNRAS 486, 5726(旋臂图样速度)
  7. Wegg C. & Gerhard O. 2013, MNRAS 435, 1874;Wegg, Gerhard & Portail 2015, MNRAS 450, 4050(核球与长棒)
  8. Portail M. et al. 2017, MNRAS 465, 1621(棒图样速度)
  9. Bland-Hawthorn J. & Gerhard O. 2016, ARA&A 54, 529(综述)
  10. McMillan P. J. 2017, MNRAS 465, 76;Bovy J. 2015, ApJS 216, 29(质量模型)
  11. Eilers A.-C. et al. 2019, ApJ 871, 120(旋转曲线)
  12. Jurić M. et al. 2008, ApJ 673, 864(薄盘与厚盘)
  13. Chen X. et al. 2019, Nat. Astron. 3, 320;Poggio E. et al. 2020, Nat. Astron. 4, 590(翘曲)
  14. Drimmel R. & Spergel D. 2001, ApJ 556, 181;Kalberla P. & Kerp J. 2009, ARA&A 47, 27(尘埃与气体)
  15. Elia D. et al. 2022, ApJ 941, 162(恒星形成率分布)
  16. Molinari S. et al. 2011, ApJL 735, L33;Kruijssen J. M. D. et al. 2015, MNRAS 447, 1059(中央分子区)
  17. Sormani M. et al. 2022, MNRAS(核星盘);Schödel R. et al. 2014, A&A 566, A47(核星团)
  18. Christopher M. et al. 2005, ApJ 622, 346(环核盘);Zhao J.-H. et al. 2009, ApJ 699, 186(微旋臂)
  19. Paumard T. et al. 2006, ApJ 643, 1011;Bartko H. et al. 2009, ApJ 697, 1741(顺时针盘)
  20. Stolte A. et al. 2014, ApJ 789, 115(拱门星团、五合星团)
  21. Deason A. et al. 2011, MNRAS 416, 2903(恒星晕);Harris W. 2010, arXiv:1012.3224(球状星团)
  22. Pietrzyński G. et al. 2019, Nature 567, 200;Graczyk D. et al. 2020, ApJ 904, 13(麦哲伦云)