为何说银河系的中央是巨大的黑洞？
为何说银河系的中央是个巨大的黑洞？有哪些理论和数据支持这一点？根据我浅薄的天文学和物理学知识，既然整个银河系是围绕着一个点运行的，显然在这个点上有个质量足够大的物体，但我们知道黑洞的引力作用范围是很短的（这个是为何我不太清楚，同样求解答），在黑洞的引力范围内任何物质都不可能逃脱，显然按照我知道的理论银河系是不可能因为黑洞的重力作用而围绕一个点旋转的。 对于银河，各民族都曾对它有过最具诗意的想象。古希腊与 罗马人把它想象成赫拉为赫拉克勒斯哺乳的乳汁；北美的切罗基人将银河称为“狗的逃跑路线”，指一条狗偷玉米后沿途留下的痕迹；新西兰毛利人把它看成巨大的独木舟；我们中国人认为它是天空的银色河流。
认识银河系
银河系是一个棒旋星系，其英文名字叫“Milky Way”一条乳白色的奶路，天文学称为银道带，最宽处达30°，最窄处只有4°～5°，平均约20°。而在这条靓丽的光路上，有两处区域你看不到第一点星光，那就是“宇宙大裂缝”与“煤袋星云”，因为巨大的分子云把这里的星光全部挡住了。
全世界最适合欣赏银河的地方是南纬30°，大家有时间可以从智利或阿根廷开始，一路经过南非，向东穿过澳大利亚珀斯和布里斯班旅游一番，顺便欣赏这世界最美的银河。这也是众多研究银河的天文学家聚集的地方。
以前天文学界普遍认为银河系直径是10万光年。但科技日报2018年8月7日报道称：中科院国家天文台8月7日宣布，郭守敬望远镜（LAMOST）圆满完成了一期光谱巡天观测。其中所得的最新观测数据显示，银河系可观测到的直径为20万光年。
如何来理解这个距离位置呢？如果把太阳系到柯伊伯带的距离看成是小拇指那么长，银河系的直径距离相当于横跨两个大西洋的距离。
银河系像一个煎鸡蛋，中间蛋黄稍微凸起，四周是扁平的圆盘。太阳系好比撒在银河系蛋黄边缘的一颗小胡椒。
而太阳围绕银河系公转一圈大约需要2.2亿年，这被称为一个“宇宙年”。
神秘的银心
自20世纪90年代以来，天文学家一直通过位于莫纳克亚山的凯克望远镜观察银心的一切举动。目的就是为了探明银河系到底围绕什么在旋转。
天文学家发现了一个周围有许多恒星飞驰运行的极其明亮的无线电波源，人马座A*。然后根据这些恒星的速度以及与人马座A*之间的距离，计算出人马座A*的质量大约是430万倍太阳质量，而这些质量必须被限制在2600万公里直径的球体内，仅约19倍太阳直径。
这么大的质量要塞进这么小的空间内，唯一的答案，银心必须是一个超大质量的黑洞。所幸我们离它足够远，不会被它吞掉。
银心黑洞作为银河系中最大的黑洞，你想想过它用餐后，会是怎样一种场景吗？
费米气泡
2010年，道格拉斯·芬克拜纳等天文学家用费米空间望远镜发现了一个从银河系中心向两侧展开的伽马射线气泡结构。一个在银河圆盘上方，另一个在银河圆盘下方，各自膨胀了大约25000光年，而每个气泡所包含的气体足够制造200万个太阳。
关于它的形成，天文学家认为是银心黑洞吞噬了一个质量相当于数百倍甚至数千倍太阳质量的气体云后产生的，显然银心黑洞没有吃干净，一些物质在黑洞周围被加速后逃逸了出来。
星系中的物质落向黑洞时会开始旋转，就像马桶里冲水一样带着漩儿地被吸进去了。由于物质之间的摩擦，黑洞周围形成炙热的气体尘埃漩涡，并产生很强的磁场，会向外喷射由高能辐射和高能宇宙射线粒子组成的喷流，从而产生类似的“气泡”结构。
而且费米气泡的光滑圆润意味着，这些能量是在短时间内形成的，可能也就600万~900万年前。
所以说费米气泡可能是银心黑洞最近一次“狼吞虎咽”后打的饱嗝，而在这之后，银心黑洞一直存在“节食”的状态中。
银心黑洞是验证广义相对论的完美实验室
在银心黑洞周围飞驰的恒星所受到的引力是巨大的，至少是我们曾验证广义相对论所涉及引力的100倍。正如水星进动问题让我们发现了牛顿万有引力理论的缺陷一样，在银心黑洞周围超强引力下运动的恒星也可能揭示广义相对论的一些漏洞。如果一旦发现，这些修正都可能是引领我们发现“万物至理”的一个契机。
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上面是银心附近恒星的运动路径，图片来源：Keck/UCLA Galactic Center Group
比如，广义相对论曾预言黑洞应该有一个圆形的暗影。如果它和预料的不同，则可能引发又一轮的理论变革。不过今年4月份公布的世界第一张黑洞照片，M87星系中心超大质量黑洞（M87*）的图像，实际上已经从强引力场中再次验证了广义相对论。所以至今为止，广义相对论还没出错。
上世纪90年代，荷兰拉德堡德大学射电天文学家HeinoFalcke等人首次基于广义相对论下的光线追踪程序，模拟出了银心黑洞看起来的样子。
根据模拟结果，如果黑洞后面有一个类似于吸积盘的平面光源(planar-emitting source)，平面光源发出的光会受到黑洞强引力场的影响，在天空背景上形成一个名为黑洞“视边界”（apparent boundary）的圆环。
在视边界圆环以内且在视界面以外的光子，虽然能逃离黑洞，但受到黑洞引力作用，亮度会很暗。而在视边界圆环以外的光子，由于能绕着黑洞运动多圈，就能积累更多亮度。这样在视觉上，我们就会看到一个圆形的阴影，外面包围着一个明亮的光环。故此得名黑洞的“暗影”（black hole shadow）。
图片版权：D. Psaltis and A. Broderick
由于旋转效应，黑洞左侧会显得更亮。这个视边界半径与事件视界半径的关系大概是1：2.6。自旋速度的不同会使这个比值有所变化，但不大，它主要还是与黑洞质量有关。
以银心黑洞质量为430多万倍太阳质量来说，对应的史瓦西R是1300多万公里，视边界R约3300多万公里，综合它到地球的距离26000光年，“视边界”看起来的角尺寸约为0.00005角秒=50微角秒，相当于从地球上看月球上一个橘子大小的东西。
要把这么小的东西拍清楚，可真不容易。于是，科学家想出联合位于世界6个地点的8个台站，打造出了地球直径那么大口径的事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）。
世界一张黑洞照片就是它的功劳，只是位于南极的SPT望远镜无法观测到M87*。所以参与观测M87*的望远镜实际上是7台。
观察银心黑洞的意义
现在普遍共识，银心是一个巨大的黑洞。而研究像银心这样的星系中心黑洞主要有三个用处。
第一，验证广义相对论。
广义相对论预言了黑洞“暗影”的存在、尺寸和形状。如果观测结果与预言相符，那就验证了广义相对论；如果有所不一样，则说明有一些新的方面需要改进。
第二，了解黑洞是如何吃东西的。
黑洞的“暗影”非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的内侧区域，这里的信息非常重要。综合之前我关于吸积盘的外侧信息，就能更好地推导出黑洞吃东西的物理过程。
第三，理解喷流的产生和方向。
某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前，会由于磁场的作用，沿着黑洞的转动方向被喷出去。靠近喷流产生的源头处到底发生了什么？对黑洞暗影的拍摄，有助于科学家进一步回答这一问题。 试着答一下。
第一个问题：银河系是绕着中心黑洞旋转吗？
答案显然“是”。
但又“不是”。
为什么说是？
因为超大质量黑洞SgrA*就处在银河系中心位置，从几何学的角度说，整个星系确实就是在绕着它旋转，所以说“是”。
严格地讲，sgrA*和“银河系动力学中心”并不完全重合。具体原因需要进一步观测。也许银心存在着一个巨大的黑洞群，也许单纯是银河系恒星质量分布不均造成的。为什么说“不是”？
sgr A*的质量只有四百万个太阳质量，而整个银河系保守来说也有两千亿颗恒星，即中心黑洞质量只占整个银河系总质量的0.00002。显然，银河系并不是因为黑洞的引力才聚在一起旋转的 。
很多人对黑洞有误解，认为只要是黑洞，它的引力就是无限大。其实引力无限大的地方只有黑洞中心的奇点，其他区域和一个等质量恒星产生的引力一模一样。换句话说，如果太阳变成了黑洞，它对地球轨道也没有任何影响。我们不会被吸进去，也不会被抛出去，一年还是365天。所以，只有400万太阳质量的sgr A*产生的引力并不大，其引力作用范围大概只有太阳引力范围的2000倍左右。在银河系的尺度上，这个距离几乎可以忽略不计。因此，“星系中心存在黑洞”和“星系的运行与结构”并没有直接联系。
那么是什么主导了千亿颗恒星绕着银心旋转？
答案是“不知道”。
现在人类对天体运行的认识都是建立在“引力系统”的基础上。对于引力不起决定性作用的大尺度天体结构，人类只能边观测边脑补。
比如强行把星系纳入引力系统---这就是暗物质假说；
质量不够，幽灵来凑。比如强行把旋转解释为原始星云的惯性--这就是起源假说；
上帝打了个响指，银河系就转了几十亿年。还有把星系强行纳入膜理论的…
遇事不决加一维。…
总之，目前并没有公认的星系运行理论出现，人类差不多对此一无所知。我们唯一知道的，就是大尺度的天体运动，真的和黑洞没太大关系。
第二个问题：怎么找到的银心黑洞？
其他高票答案已经解释得很好了。原理就是根据轨道分析引力：如果一堆恒星绕着一个看不见的点运动，而计算出来的点质量又非常大，那么这个点八成就是个黑洞。
至于它是不是真的就是个黑洞，这谁也不知道。
只能说按照人类现有对宇宙的理解，除了黑洞也没有别的天体可以往那儿摆了。
随着测量技术的进步，人类发现大多数大型星系的中心都存在一个超大质量黑洞。那些中心没有黑洞的星系，都是规模不大的矮星系或潮汐裂解后的星系残骸。从这个观测结果反推的话，可以说银河系黑洞是“不用找”的。因为银河系的规模足够大，所以它的中心必然存在黑洞。
以上。 偏一下题，其实从动力学的角度来看，题目里面”黑洞的引力作用范围是很短的“这句话是没有问题的。为什么呢？因为银河系中心的超大质量黑洞只占银河系总质量的百万分之几，而且银河系的质量是分布在大得多的范围里的。如果你不是恰巧处在这个黑洞附近很小一个范围里面的话，它对你的引力是可以忽略的。
这个范围有多小呢？我们可以这样做一个估计：银河系的旋转速度大约是200km/s，如果绕着黑洞旋转的开普勒速度已经远小于银河系的旋转速度，那么说明这个黑洞对动力学的影响已经可以忽略了。这两个速度相等的半径是
https://www.zhihu.com/equation?tex=r%3D%5Cfrac%7BGM_%7BBH%7D%7D%7Bv%5E2%7D%3D10.8%5Cmathrm%7Bpc%7D%5Cleft%28%5Cfrac%7BM_%7BBH%7D%7D%7B10%5E8%5Cmathrm%7BM_%5Codot%7D%7D%5Cright%29%5Cleft%28%5Cfrac%7Bv%7D%7B200%5Cmathrm%7Bkm%2Fs%7D%7D%5Cright%29%5E%7B-2%7D
而Sgr A*只有 https://www.zhihu.com/equation?tex=4%5Ctimes10%5E6%5Cmathrm%7BM_%5Codot%7D ，所以这个半径（被称为radius of influence）是……0.4pc（我们假定这里的旋转速度仍然是200km/s，实际上可能会小一些）……要知道银盘的直径有30kpc啊，你把银河系缩到足球场那么大，这个黑洞的引力只能影响最中间黄豆粒大的一点范围。
其他星系中心的超大质量黑洞的引力影响范围大约也就是这样了，可能会大两三个量级，但是总之相比于整个星系是很小的。于是就有一个很严重的问题：我们已经发现星系中心的超大质量黑洞的质量和整个星系的诸多性质有很好的相关关系（比如说M-sigma关系），这就好像是它们之间有心电感应似的……大体上可以猜测星系中心的超大质量黑洞形成的过程和整个星系的形成是有关联的，但是这个问题至今不是很清楚…… 题主把两个概念混淆了。即黑洞的视界和引力的作用范围。
黑洞的引力只是引力，比其他的引力并无区别。作用范围也不会短，是符合距离越近引力越大的原则的。
一个天体，但不限于黑洞，在不同距离上的脱离轨道速度是不同的。维持该轨道的速度就是在该点离心力与引力平衡。所以当天体的质量足够大，且轨道距离天体质心足够近的时候，这个速度就会变的很大。对黑洞来说，某个比较近的轨道上维持该轨道的线速度达到光速时，意味着光子也无法逃离该轨道了。这个轨道就是视界。在视界以外，黑洞仍然有着很强的引力，只是随着距离变远，维持该轨道的速度逐渐变低，以至于光可以轻易的脱离该轨道。
黑洞虽然在可见光波段不可见，但在X光波段是个非常强的目标。因为物质受到引力作用无法维持轨道而坠向黑洞时，释放出的大量势能除了一部分让物质加速坠向黑洞外，一部分能量转变为X射线光子向外辐射。在黑洞的视界外，X射线光子是可以逃离黑洞引力的，于是成为验证黑洞存在的一个重要证据。 尽管在物理上，黑洞有种种“神奇”的性质，但是对于天文学家来说，确认黑洞存在的最好办法无非是找到大量质量聚集在小空间内的直接或者间接证据罢了。
刚上大学的时候，我第一听说了这个长达十年的观测成果（从95年开始到05年paper发表
Stellar Orbits around the Galactic Center Black Hole ，实际观测时间应该在8年左右），当时就深深的为这种现实中的十年磨一剑所拜倒（现在则为那个组里的PhD们感到黯然神伤）。
UCLA的这个银（河系中）心组，从95年开始用Keck望远镜（当时世界上最大的光学望远镜，主反射面直径10米，位于夏威夷的Mauna Kea山巅）对银河系中心的人马座A* X射线源附近的恒星进行跟踪观测。说起来容易，实际上银河系中央的的恒星密度非常高，再加上前景恒星的影响，实际得到的原始观测图像差不多是下图（a）中的样子（非常短的曝光，只有0.13秒）：（这幅图取自这个组98年的paper，
High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A*: Evidence for a Super）
图（a）中标注出来的四个16**是很亮的前景星（这几幅图里都是越黑代表实际越亮，据说可以省墨，但是在CRT时代却会影响显示器寿命），对每幅图像进行去暗场，减Bias以及平场之后，把很多这样的短曝光图像进行叠加（原始论文里叫shift and add，本人不做观测所以也不太了解具体过程，询问了系里的师兄之后，知道基本过程就是取一个亮星作为参照，并假设在曝光时间内大气的影响基本是朝同一个方向的，把N张图片进行不同位移的叠加，得到的亮星图像最亮的时候就认为基本消除了大气抖动，这个方法和自适应光学结合之后可以得到非常高的分辨率）那些恒星的所在的视场，只有1*1个角秒大小，放大并用高通滤波去掉前景星的光晕之后，就可以仔细研究这些小黑点啦。
这里科普一下点扩散函数（point spread function，PSF），由于光的衍射，以及光学系统本身的像差，导致理想点源在成像元件上并不是一个完美的点，这种大型望远镜通常像差很小，如果不考虑大气层的影响，一般的PSF很接近理想的艾里斑：
于是大家可以明白为何亮的星星看起来更大了：虽然艾里斑的理论尺寸是一样的，但是亮星的PSF即使在边缘也有足够的亮度让CCD感光，而暗星就只有中间那个“尖顶”可以让CCD检测到。
在知道光学系统的PSF之后，就可以用它和处理过的图像拟合，得到这些“小黑点”中心的准确位置，如果这些恒星不是高速自转导致变成椭圆的话，图像中心就可以认为是恒星的质心了。
最后假设有一个点质量源位于Sgr A*,用不同时刻恒星的位置开始拟合轨道：
如果下面这个gif能动的话：
Black Holes
05年的结果表明，这些恒星周期最短的只有不到20年，最快的一颗在近拱点的速度大约有10000km/s，也就是光速的3%！而中央区域有大约四百万太阳质量的物质集中在半径45AU（差不多是冥王星的轨道大小）的范围内。虽然依然不是黑洞存在的直接证据，但的确很难想象太阳系里挤进四百万个太阳的情形——这么多的质量集中在如此小得范围内，除了黑洞，别的都很难稳定存在啊。
最近这个组又发现了周期更小的恒星S0-102,绕“黑洞”跑完一圈只要十年：
UCLA Galactic Center Group
当然，45AU似乎还是个很大的范围，前面的回答有人提到Sgr A*是一个强射电源，这意味着我们可以用射电望远镜进行分辨率极高的观测。目前利用甚长基线干涉（VLBI，用多台相距很远的射电望远镜组成干涉阵列，从分辨率角度相当于增大望远镜口径，提高角分辨率。射电因为频率较低，所以可以先把电波记录下来再进行干涉处理，所以可以全球联动。光学波段就只能靠光纤实时干涉了，限制了大小，一般也就同一个天文台的几个望远镜可以这样搞）得到这个射电源的大小不超过37微角秒，差不多相当于理论上视界大小的4倍，对应的实际大小是0.3AU。这就是说，我们需要把四百万个太阳质量集中到水星轨道以内！
当然我很期待视界望远镜（Event Horizen Telescope）的结果啦，真的做到那么高的分辨率，想想就有点小激动哦！
这么大质量的高密度天体，目前还真的只有黑洞能解释呢。什么中子星白矮星都是“长”不到那么大得，真有那么大，核心即使是中子简并压也撑不住，只会继续坍缩，要是没有新的对抗压力的机制冒出来的话，就只能变成黑洞了。
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