寻找黑洞家族丢失的成员

发布时间：2023-07-05 11:00:32 所属栏目：动态来源：网络

导读： 　　似乎黑洞家族里没有必要的成员存在了,现在我们就明白他,它们究竟藏在哪儿了。

　　黑洞不容易研究。它是如此致密，任何试图靠近它的东西都会被吞噬进去，甚至光也无法摆脱它的魔

　　似乎黑洞家族里没有必要的成员存在了,现在我们就明白他,它们究竟藏在哪儿了。

　　黑洞不容易研究。它是如此致密，任何试图靠近它的东西都会被吞噬进去，甚至光也无法摆脱它的魔掌，所以它什么光也不反射。这迫使天文学家对他的搜索要另辟蹊径。

　　当观察到恒星围绕着中心一个看不见的东西在加速，天文学家会猜测那里可能有一个黑洞。而黑洞在吞噬物质的过程中有时也会产生向外的喷流，这是黑洞存在的另一个“泄密者”。最近，天文学家还观测到了黑洞碰撞产生的引力波，所以通过引力波来寻找黑洞，是寻觅黑洞的第三种方法。

　　通过这些观测方法，天文学家的“货架子”上已经摆上了大大小小的黑洞“样品”。然而，这些“样品”中少了按理说不该缺少的一款——中等质量黑洞。

　　目前发现的黑洞，按质量大小，大致可分为两类。一类是恒星质量的黑洞，它们是由大质量恒星(一般是太阳质量20倍以上的恒星)在燃烧殆尽时，通过超新星爆发形成的。这类黑洞通常小于100倍的太阳质量，目前已知的最大者是太阳质量的15倍。另一类是位于星系中心的超大质量黑洞。银河系中心的黑洞是太阳质量的400万倍。其他星系的黑洞有的可达几十亿个太阳质量。但是居于两类之间的中等质量黑洞，却一直没找到。

　　这种状况是令人费解的。你想，超大质量黑洞必得有所来历吧。主流观点认为，它们是由较小的黑洞合并来的。但是，要长成一个有着10亿个太阳质量的超大质量黑洞，需要吞噬数百万个恒星级黑洞。这个过程需要很长时间，甚至整个宇宙的年龄都嫌不够。可是，天文学家发现，超大质量黑洞在大爆炸后的最初10亿年就已经存在了。似乎没有足够时间让它们长得这么快呀，除非搭成它们的“积木”更大，比如说不是恒星级这样的小黑洞，而是中等质量黑洞!

　　你或许会说，中等质量黑洞还不是又要由恒星级黑洞“搭积木”而来吗?那不也需要很长时间?

　　当然，恒星级黑洞“搭积木”的确是形成中等质量黑洞的一条途径。但他们的形成也许还另有捷径。一条捷径是，由第一代恒星死亡时产生。因为第一代恒星的质量比现在的恒星要大很多，它们在超新星爆发后形成的黑洞也许“一蹴而就”已经属于中等质量黑洞了。另一条捷径是，直接由大团的气体云直接坍塌而成。如果采用这两条捷径，中等质量黑洞的形成就节省了时间，从而让它们有足够时间合并成超大质量黑洞。

　　但是，如果这样的话呢，必然还有很多没有合并成大质量黑洞的中等质量黑洞留下来，我们应该能够在宇宙中观察到它们。可事实是，这一款黑洞在“货架子”上严重“缺货”。那它们都藏到哪里去了呢?

　　其实，这个问题是天文学家直到最近才提出来的，在此之前，他们本以为已解决了。

　　事情是这样的。自1980年代以来，遍布世界各地的射电望远镜探测到一系列异常明亮的X射线暴。天文学家起初以为它们来自黑洞。因为当物质打着螺旋以越来越快的速度掉入黑洞时，与邻近物质的摩擦会把它变得炽热，于是发射出X射线。黑洞的质量越大，围绕它的物质飞得越快，摩擦越大，发出的X射线就越明亮。但现在，这些X射线暴看起来太亮了，比太阳还亮100多万倍，它们不可能仅仅是来自只有相当于恒星中位数质量四分之一大小的黑洞，现在这样的证据似乎指向了越来越多的中等质量黑洞。

　　但随着数据的积累，天文学家先是发现，这些X射线光谱与中等质量黑洞的光谱不太匹配。然后到了2014年，又发现这些X射线暴是脉动信号，只需用脉冲星就能解释。所以没必要认为它们产生自中等质量的黑洞。

　　那么，还有哪些观测事实被我们错过了呢?2017年2月，美国哈佛大学的一个天文小组宣布在一个称作“杜鹃座47号星团(47 Tuc，位于杜鹃座的南半球一侧)”的球状星团中发现了中等质量黑洞。

　　按理说，这个星团中心应该有黑洞存在，但由于这个星团太古老了，里面很多恒星早已燃烧殆尽，附近的物质也早被它吞噬净尽，只剩脉冲星残骸。所以不可能看到恒星绕一个看不见的中心运动的现象，也观察不到黑洞在吞噬物质的过程中产生向外喷流的现象，因此，如果中心有黑洞，确定黑洞的两个常规办法在这里都无法奏效。

　　天文学家另辟蹊径，采用了测量星团里脉冲星加速度微小变化的办法。他们发现杜鹃座47号星团里的脉冲星，除了相互之间的引力作用外，都受到一个额外引力的加速，这个额外的引力又正好指向一个中心。据此，他们认为那里藏有一个黑洞，经过计算，质量在1450～3800个太阳质量之间，正好处于中等质量的范围。

　　这么说，总算找到了一个，但多数人认为，仅仅发现一个还不足以解决中等质量黑洞为何如此稀缺的问题。为了填补这个“货架”，有人求助于宇宙中另一类失踪的天体——矮星系。

　　当一些天文学家在天空搜寻中等质量黑洞时，另一些则在寻找失踪的矮星系。这些矮星系，顾名思义，并不是大型星系，而是围绕着更大的星系(比如银河系)运转的星系。现在的问题在于，我们观察到的矮星系显得太少了。

　　在宇宙学的标准图景中，星系和星系团都被暗物质所渗透。暗物质是一种惰性的、不可见的神秘物质，它是星系形成的“脚手架”。当天文学家对早期宇宙中的星系形成进行电脑模拟时，发现应该有许多没有合并的矮星系。然而，在真实宇宙中，我们所看到的要少得多。此外，还有另一个问题：我们所看到的位于矮星系中心区域的恒星，其运行速度似乎不够快。按宇宙学标准理论预测，在矮星系中心，因为那里聚集着暗物质，而暗物质对普通物质(如恒星)有引力作用，那将会使恒星以更快的速度旋转。

　　为解决这两个问题，有人倾向于对暗物质的性质提出质疑。不过，英国牛津大学的天体物理学家约瑟夫·希尔克则认为有一个更简单的办法，即假设大多数矮星系中心都藏有一个中等质量黑洞。

　　撇开一切不管，希尔克的提议单从逻辑上讲是有道理的。因为既然大型星系中心有超大质量黑洞，那小型星系也该有中等质量黑洞与之匹配。

　　在一个矮星系诞生的早期，中等质量黑洞会吸食大量气体。但正如恒星级黑洞一样，在吸食过程中会产生巨大的喷流(宇宙中最明亮的一类天体——类星体就是这样产生的)。喷流吹跑了星系的大部分物质，最终形成的矮星系几乎都很小，并没有那么明亮。这或许就是我们一直难以观察到矮星系的原因。此外，普通物质与暗物质有引力作用，当喷流吹跑矮星系中心的普通物质时，暗物质也如影随形跟着离开了中心，这或许可以解释为什么矮星系中心的恒星运行速度不够快的问题。

　　如果希尔克的解释是可信的，那么矮星系就是寻找失踪的中等质量黑洞最有希望的地方了。但如何搜寻黯淡的矮星系，对于天文学家来说迄今依然是一个棘手的问题。

　　还有另一种办法：寻找引力波。到目前为止，探测到的少数引力波事件都来自中子星或恒星级黑洞的碰撞。如果我们能检测到来自中等质量黑洞碰撞产生的引力波，那么也就等于探测到了中等质量黑洞本身。这种引力波信号可以通过光谱分析来确定，因为它们的波长很短，所以我们可以利用这种方法来确定它们的存在。

（编辑：南京站长网）

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