Откуда мы знаем, что звезды, вращающиеся вокруг Sgr A*, вращаются вокруг сверхмассивной черной дыры, а не только вокруг центра масс галактики Млечный Путь?

Гравитация подчиняется так называемому закону Гаусса , который гласит, что ускорение свободного падения пропорционально заключенной массе . Таким образом, несмотря на то, что общая масса Млечного Пути очень велика, когда вы находитесь очень близко к центру, масса, влияющая на гравитацию, намного меньше. Гравитация всего, что находится за пределами замкнутого пространства, в конечном итоге (примерно) уравновешивается. То же самое относится и к другим объектам, таким как солнце или земля: если бы вы туннелировали внутрь любого из них, гравитационное ускорение уменьшилось бы.

Объекты вращаются вокруг своего барицентра . Барицентр всегда ближе к более массивному объекту. Если разница в массах очень велика, он может находиться внутри более массивного объекта (например, барицентр Земли/Солнца находится внутри Солнца).

Но барицентр также может находиться вне любого объекта в гравитационно связанной группе. Если объектов много и они имеют примерно одинаковую массу, можно было бы ожидать, что объекты в группе взаимодействуют друг с другом более сложным и трудным для предсказания образом, чем если бы в ядре был один массивный объект.

Так обстоит дело с шаровыми скоплениями , которые представляют собой сферические группы звезд, которые в некоторых случаях могут вращаться вокруг барицентров своей группы. Прогнозирование или даже изучение траекторий отдельных звезд в этих скоплениях осложняется проблемой n тел , огромными вычислительными ресурсами, необходимыми для построения графика гравитационного взаимодействия 3 и более объектов. Звезды в шаровых скоплениях наблюдались по необычным траекториям, которые со временем могут менять форму.

Движение звезд вокруг галактического ядра спирального диска, подобного Млечному Пути, более регулярно, чем движение звезд в шаровых скоплениях. Это одно из указаний на то, что один массивный объект является аттрактором в центре Млечного Пути.

В дополнение к другим данным ответам я должен добавить, что энергия, которую мы наблюдаем из ШС, принадлежит либо какой-то очень экзотической массе, такой как бозонная звезда, либо сверхмассивной черной дыре. Мы знаем, что с математической точки зрения вероятность образования черной дыры гораздо выше, чем подобных объектов. Вот диаграмма, показывающая прогресс в определении этого с течением времени с радиусами Шварцшильда для расчетной массы сверхмассивной черной дыры в верхней части оси x и плотностью центральной массы на оси y. Астрономы, по сути, пригвоздили его к верхней левой части рисунка ниже:

(Шодель и др., 2003 г.)

Недавние наблюдения с возрастающей точностью показывают, что это действительно СМЧД. Это, конечно, игнорирует наши недавние фотографические доказательства существования черной дыры.

Активные галактические ядра (АЯГ) демонстрируют свойства, очень характерные для черной дыры, например, струи, испускаемые черной дырой.

На высокоцентрализованную массу также указывают сверхскоростные звезды (члены двойных систем, обращающиеся вокруг сверхмассивной черной дыры, которые разрушаются и вылетают из галактики со скоростью сотни километров в секунду). Мы знаем, что сверхскоростные звезды появляются из этой ситуации, потому что плотность молодых горячих звезд очень высока вблизи галактического центра. Возникают такие условия, что рождение новых звезд типа О и В является обычным явлением, и мы уже знаем, что двойные системы уже распространены по всей Вселенной.

Наконец, мы наблюдаем приливные разрывы, которые связаны с приливным разрывом звезд, подошедших слишком близко к центральной черной дыре, и, рассматривая замкнутую массу как функцию радиуса от ШС, мы видим, что она выравнивается на$r=0$, что снова указывает на централизованную массу.

Я надеюсь, что этот ответ содержит достаточно подробностей, не обязательно вдаваясь в математические подробности.