爱读书 探索 关于黑洞您可能知之甚少,本文带你探索黑洞的起源之谜

关于黑洞您可能知之甚少,本文带你探索黑洞的起源之谜

在浩瀚的宇宙花园中,最重的黑洞是由种子长成的。这些种子从它们所消耗的气体和尘埃中获得营养,或者通过与其他密度大的物体融合而生长,它们的大小和重量形成了星系的中心,比如我们的银河系。但与植物领域不同的是,巨型黑洞的种子肯定也是黑洞,至今还没有人发现这些种子。

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一种观点认为,超大质量黑洞——相当于数十万到数十亿个太阳的质量——是由一个从未被观测到的较小的黑洞群体发展而来的。这个难以捉摸的群体,即“中等质量黑洞”,重量在100到10万个太阳之间。在迄今发现的数百个黑洞中,有许多是相对较小的黑洞,但在中等质量范围的“沙漠”中没有一个是确定的。

科学家们正利用美国国家航空航天局(NASA)和其他天文台的强大太空望远镜,追踪符合这些奇异实体所描述的遥远物体。他们已经发现了几十个可能的候选者,并且正在努力确认它们是黑洞,但即使它们真的存在,这也开启了一个全新的谜团:中等质量黑洞是如何形成的?

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图解:位于M87中心的超大质量黑洞,推估质量达太阳的数十亿倍。这是人类史上第一张直接对黑洞观测的天文影像,由事件视界望远镜所拍摄,发表于2019年4月10日。

“什么是迷人的,为什么人类花了这么多时间试图找到这些中等质量的黑洞,因为它揭示了发生在早期宇宙中的进程,以及我们还未想到的,残留黑洞的质量是多少,新的黑洞形成机制是什么,”菲奥娜·哈里森说,她是帕萨迪纳市加州理工学院的物理学教授,也是美国宇航局NuSTAR任务的首席调查员。

黑洞的类型

1-100倍太阳质量=恒星质量

100到10万个太阳质量=中等质量黑洞

10万到数十亿太阳质量=超大质量黑洞

黑洞101

黑洞是太空中密度极高的物体,光线无法从中逃逸,当物质落入黑洞时,它没有出路。黑洞吃得越多,它的质量和大小就越大。

最小的黑洞被称为“恒星质量”,其质量是太阳质量的1到100倍,它们是恒星在被称为超新星的剧烈爆炸过程中形成的。

另一方面,超大质量黑洞是大型星系的中心锚点——例如,我们的太阳和银河系中所有其他恒星都围绕着一个名为人马座A*的黑洞运行,它的质量约为410万个太阳质量。一个更重的黑洞——质量高达65亿个太阳——是梅西耶87星系(M87)的中心。M87的超大质量黑洞出现在视界望远镜的著名图像中,首次显示了一个黑洞及其“影子”。这种阴影是由黑洞的不归路——视界,以其强大的引力弯曲和捕获光线而形成的。

超大质量黑洞的周围往往有被称为“吸积盘”的物质盘,这些物质盘是由极热的高能粒子组成,当它们靠近黑洞的不返回区——视界时,就会发出明亮的光。那些因为吃了很多而使圆盘发光的星系被称为“活动星系核”。

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图解:大麦哲伦云面前的黑洞(中心)的模拟视图。请注意引力透镜效应,从而产生两个放大,以星云最高处扭曲的视野。银河系星盘出现在顶部,扭曲成一个弧形。

创造黑洞所需要的物质密度令人难以置信,要制造出一个质量是太阳质量50倍的黑洞,你必须把相当于50个太阳的物质塞进一个直径不到200英里(300公里)的球里。但就M87的核心部分而言,它就像是65亿个太阳被压缩成一个比冥王星轨道宽一点的球,在这两种情况下,密度是如此之高,以至于原始物质必须坍缩成一个奇点——时空结构的一个裂口。

黑洞起源之谜的关键在于它们生长速度的物理极限,即使是星系中心的巨型怪物,在它们疯狂的进食上也有限制,因为来自活动视界附近加速的热粒子的高能辐射会把一定数量的物质推回去。例如,通过吞噬周围的物质,一个低质量黑洞可能只能在3000万年后将其质量增加一倍。

“如果你从一个50倍太阳质量的质量开始,你根本不可能在10亿年里把它增加到10亿倍太阳质量,”来自史密森天体物理天文台、剑桥大学、曼彻斯特大学和莫斯科州立大学的天体物理学家Igor Chilingarian说,但是,“正如我们所知,在宇宙形成后不到10亿年就存在了超大质量黑洞。”

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图解 :这个艺术家的构想描绘了一个已知的最原始的超大质量黑洞(中央黑点),位于一个年轻的、恒星丰富的星系的核心。

如何制造一个看不见的黑洞

在宇宙历史的早期,中等质量黑洞的种子可能是由大而稠密的气体云坍塌或超新星爆炸形成的。宇宙中第一批爆炸的恒星的外层是纯氢和纯氦,而较重的元素则集中在核心,这是一个比爆炸的现代恒星更大的黑洞的配方,现代恒星的外层被重元素“污染”,因此通过恒星风失去了更多的质量。

“在宇宙早期,如果我们用100倍太阳质量形成黑洞,其中一些应该合并在一起,但基本上就应该产生一系列的质量,然后它们中的一些应该仍然存在,”马里兰州绿地NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家Tod Strohmayer说,“那么,如果它们真的形成了,它们在哪里呢?”

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图解:艺术家笔下的黑洞。

美国国家科学基金会(National Science Foundation)的激光干涉引力波观测站LIGO提供了一条说明中等质量黑洞可能仍然存在的线索,该观测站是加州理工学院(Caltech)和麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的合作项目。LIGO探测器与位于意大利的一家名为Virgo的欧洲机构合作,正在通过时空涟漪(引力波)发现许多不同的黑洞合并现象。

2016年,LIGO宣布了过去半个世纪最重要的科学发现之一:第一个引力波探测。具体来说,位于路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德的探测器捕捉到了两个黑洞合并的信号,这些黑洞的质量分别是太阳质量的29倍和36倍,这让科学家们感到惊讶。虽然从技术上讲,它们还不是中等质量,但它们大得足以让人侧目。

有可能所有中等质量的黑洞都已经融合在一起了,但是这项技术还没有被调整好来定位它们。

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图解:一个名为ESO 243-49的星系,是一个名为HLX-1的极其明亮的天体的家园。图中圈出的HLX-1是科学家发现的中等质量黑洞中最有可能存在的例子。

所以,它们在哪儿?

在中等质量的沙漠中寻找黑洞是困难的,因为黑洞本身不发光。不过,科学家可以利用先进的望远镜和其他仪器来寻找特定的信号,例如,由于物质进入黑洞的流动不是恒定的,物质的团块性会导致环境中光输出的某些变化,这样的变化在较小的黑洞中比在较大的黑洞中更容易观察到。

“在一个小时的时间尺度上,你可以进行观测活动,而对于经典的活动星系核,需要几个月的时间,”Chilingarian说。

最有希望的中等质量黑洞候选者被称为HLX-1,其质量大约是太阳的2万倍。HLX-1代表“超光x射线源1”,它的能量输出比类太阳恒星高很多。2009年,澳大利亚天文学家肖恩·法雷尔利用欧洲航天局的xmm -牛顿x射线太空望远镜发现了它。2012年,美国国家航空航天局(NASA)的哈勃望远镜(Hubble)和斯威夫特太空望远镜(Swift space telescope)进行的一项研究发现,有迹象表明有一群年轻的蓝色恒星围绕着这颗天体运行。它曾经可能是一个被大星系ESO 243-49吞噬的矮星系的中心。哈里森说,许多科学家认为HLX-1是一个已被证实的中等质量黑洞。

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图解:质量达太阳10倍的黑洞之电脑模拟图

“它发出的x射线的颜色,以及它的行为方式,与黑洞非常相似,”哈里森说,“很多人,包括我的团队,都有程序来查找类似HLX-1的东西,但迄今为止没有一个是一致的,但狩猎还在继续。”

不太亮的可能是中等质量黑洞的物体被称为超铝x射线源,简称ULXs,闪烁不定的ULX被称为NGC 5408 X-1,这对寻找中等质量黑洞的科学家来说特别有趣。但是,美国宇航局的NuSTAR和钱德拉x射线天文台发现,许多ULX天体并不是黑洞,而是脉冲星,脉冲星是一种密度极高的恒星残余物,它们的脉冲就像灯塔一样。

M82 X-1是M82星系中最亮的x射线源,它是另一个非常亮的天体,似乎在与中等质量黑洞一致的时间尺度上闪烁。这些亮度的变化与黑洞的质量有关,是由靠近吸积盘内部区域的轨道物质引起的。2014年的一项研究观察了x射线的特定变化,并估计M82 X-1的质量约为400个太阳。科学家们利用美国宇航局的罗西x射线定时探测卫星(RXTE)的档案数据来研究这些x射线的亮度变化。

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图解:黑洞在银河系中心撕开星际云的影像

科学家们研究了一个更大的可能的中等质量黑洞群。在2018年,Chilingarian和他的同事通过重新分析来自斯隆数字天空调查的光学数据,并将最初的预期与来自Chandra和XMM -Newton的x射线数据进行匹配,描述了10个候选样本,他们现在在智利和亚利桑那州继续使用地面望远镜。西班牙空间科学研究所(Institute for Space Sciences)的马尔·梅兹夸(Mar Mezcua)在2018年进行了一项单独的研究,也使用了Chandra的数据,发现矮星系中有40个正在成长的黑洞,它们可能处于那个特殊的中等质量范围。但是Mezcua和他的合作者认为这些黑洞最初是在巨大的坍塌云中形成的,而不是在恒星爆炸中形成的。

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图解:这幅由欧洲南方天文台的超大望远镜拍摄的图像显示了NGC1313星系的中心区域,这个星系是超铝x射线源NCG1313X-1的所在地,天文学家现在已经确定它是中等质量黑洞的候选者。NGC1313横跨5万光年,位于南方的网罟座,距银河系约1400万光年。

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矮星系是值得继续研究的有趣地方,因为从理论上讲,较小的恒星系统可以容纳质量远低于我们这样的大星系中心的黑洞。

出于同样的原因,科学家们也在寻找球状星团——位于银河系和其他星系外围的球状恒星聚集点。

“在那样的星系里,可能有像那样的黑洞,但是如果它们没有吸积很多物质,可能很难看到它们,”Strohmayer说。

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中等质量黑洞的搜寻者们热切地等待着NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射,这台望远镜将回溯到第一批星系的开端。韦伯将帮助天文学家弄清楚哪个先出现——星系还是它的中心黑洞——以及这个黑洞是如何形成的。与x射线观测相结合,韦伯的红外数据将对确定一些最古老的黑洞候选者非常重要。

俄罗斯宇航局Roscosmos今年7月发射的另一种新工具叫做Spectrum X-Gamma,这是一种用x射线扫描天空的航天器,它携带的仪器带有由NASA马歇尔太空飞行中心(位于阿拉巴马州亨茨维尔市)开发和制造的镜子。来自LIGO-Virgo合作项目的引力波信息和欧洲航天局计划中的激光干涉仪太空天线(LISA)任务也都将有助于搜索工作。

除了现有的仪器和技术,这批新仪器和技术将帮助天文学家继续在宇宙花园中寻找黑洞和类似我们的星系的种子。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. Tycho- nasa

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