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“种子”黑洞真的存在吗?

时间: 2019年11月15日 | 作者: Elizabeth Landau | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
一种观点是认为,相当于数十万至数十亿太阳质量的超大黑洞,是由一个个从未被发现的“中等质量黑洞”成长而来的。



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在一个年轻的恒星丰富的星系中心产生了一个最原始的超大质量的黑洞(中心黑点)的概念图。


撰文 | Elizabeth Landau

翻译 | 王麟涛

审校 | 罗广桢

 

在浩瀚的宇宙花园中,其中最重的黑洞也是从小小的“种子”长大而成。通过吞噬气体星尘或和其他致密物体的融合,这些种子黑洞在体积和质量上不断增长,直到形成星系的中心,就比如我们生存的银河系。但与真实的植物不同,这些巨大黑洞的种子也是黑洞,但至今没有人发现这些“种子”黑洞。


有一种观点是认为,相当于数十万至数十亿太阳质量的超大黑洞,是由一个个从未被发现的“中等质量黑洞”成长而来的。这些中等质量的黑洞大约相当于100~10000个太阳的质量之和。


NASA和其他天文台的科学家,正在合作使用强大的望远镜追踪符合这个质量标准的奇异天体。他们已经找到了几十个可能的目标天体,并在努力确认它们是否为黑洞。但这也引出了一个新的问题,这些中等质量的黑洞是如何形成的?


NASA核分光望远镜阵列(NuSTAR)项目中的首席研究员,加州理工学院的物理学教授Fiona Harrison说:“中等质量的黑洞如此令人着迷。而人类甘愿耗费大量时间寻找它的原因在于,它能揭示早期宇宙的发展过程。从它身上,我们有可能了解到宇宙初期的黑洞群,或者刷新对黑洞形成机制的认知。”



黑洞起源之谜


黑洞是宇宙中密度极高的物体,任何光线都无法从中逃逸出来。当物质落入黑洞中,便无路可逃。而且黑洞吞噬的物质越多,它的质量和体积就越大。最小的黑洞的质量大约为1到100倍的太阳质量,它们通过恒星剧烈爆炸形成,这一过程也称为超新星爆发。

   

超大质量的黑洞在大星系中起着锚定的作用,例如,太阳和所有银河系中的恒星都绕着一个大约410万个太阳质量的黑洞射手座A*(Sagittarius A*)旋转。而梅西耶87(M87)星系的核心是一个更加庞大的、大约有65亿个太阳质量的黑洞。2019年4月10日,事件视界望远镜(EHT)公布的首张黑洞照片就来自超大质量黑洞M87,它首次展现了黑洞及其“阴影”。“阴影”是由事件视界造成的——越过事件视界,物质将无法返回。


超大质量黑洞的周围往往有一种叫做“吸积盘”的盘状物质,这种盘状物质由极高温的高能粒子构成。当它们越靠近事件视界,“吸积盘”就会愈发明亮,这个现象也被称作“活跃星系核”。


黑洞形成所需的物质密度,令人难以想象。要制造一个50倍太阳质量的黑洞,你必须把相当于50个太阳的东西装进一个不到300千米的球内。但就M87的中心而言,需要将65亿个太阳压缩成一个比冥王星轨道稍宽的球。在这两种情况下,由于物质密度都非常高,那么原始材料必须坍缩成一个能导致时空撕裂的奇点。


黑洞起源之谜的关键在于,黑洞的增长速度存在物理限制。即使对于星系中心的巨型黑洞,它们也不会无止境地疯狂吞噬,因为一定数量的物质将因靠近事件视界,而被加速的高温粒子散发的高能辐射推出去。举例来说,只吞噬掉周围物质的话,那么一个低质量的黑洞在3000万年内,其质量可能只会翻倍。


剑桥史密森天体物理天文台与莫斯科国立大学的天体物理学家Igor Chilingarian说:“如果黑洞从50个太阳质量开始生长,不可能在10亿年内扩展到10亿个太阳质量。”但正如我们所知,在宇宙形成之后不到10亿年时,宇宙中就存在着超大质量黑洞。



如何创造一个黑洞


在宇宙的早期,中等质量大小的黑洞“种子”,可能由庞大的稠密气体云的坍塌或超新星的爆炸形成。宇宙中最早爆炸的恒星的外层是纯净的氢和氦,重元素聚集在核心,这是一个制造更大黑洞的配方。更大的黑洞并不能由爆裂的“新式”恒星形成,由于这些恒星在外层中融入了重元素,所以在恒星风中更容易失去更多的质量。


NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家Tod Strohmayer说:“如果在宇宙早期就形成了相当于100个太阳质量的黑洞,有一些应该会融合在一起,合成一系列质量不同的黑洞。其中一些,应该还在这个中等质量黑洞的范围内。如果它们真的形成了,那它们在哪里呢?”


科学家在激光干涉引力波天文台(LIGO)、加州理工学院和麻省理工学院的合作研究项目中,得到了一个线索:中等质量黑洞仍可能存在。LIGO探测器与意大利的VirGO探测器合作,通过探测许多不同的黑洞合并所产生的引力波时空涟漪,来寻找中等质量黑洞。

 

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这张由欧洲南部天文台的超大望远镜拍摄的照片显示了星系NGC1313的中心区域。


2016年,LIGO宣布了上半个世纪最重要的科学发现之一:基于多个探测器采集的两个黑洞融合的信号,人类第一次探测到引力波。这令科学家们感到惊奇,这两个黑洞的质量分别是太阳的29倍和36倍。虽然从理论上来说,它们还不算中等质量的黑洞,但它们足够大到引起我们的注意。所以,要么是所有的中等质量黑洞都已经融合,要么是我们的科技还不足以定位到它们的位置。



所以它们在哪里?


因为黑洞本身并不发光,所以寻找它们是十分棘手的。但科学家可以通过精密的望远镜和其他仪器来寻找特别的信号。例如,物质流动进入黑洞的速率不是一致的。而对物质集中性的吞噬,会导致其周围环境的光线输出发生变化。而这种变化在较小的黑洞身上更为明显。


最有希望的中等质量黑洞候选者被称为HLX-1(Hyper-Luminous X-ray Source 1,超亮X射线源1),其质量约为太阳的20000倍,其能量输出远高于类日恒星。2009年,澳大利亚天文学家Sean Farrell使用XMM-牛顿X射线太空望远镜发现了它。2012年,NASA的哈勃太空望远镜和斯威夫特太空望远镜发现,围绕这个天体运行的是一群年轻的蓝恒星。HLX-1可能曾经是一个被ESO243-49星系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。


Harrison说:“它发出的X射线的颜色以及它的运动方式,都与黑洞非常相似。很多天文学家包括我的小组,都在寻找看起来像HLX-1的天体,但目前为止,没有一个是与它相一致。”


天文学家将可能是中等质量黑洞的天体,统称为超亮X射线源(ULX)。但是,NASA的核分光望远镜阵列(NuSTAR)和钱德拉X射线天文台揭露了许多ULX天体的真面目:它们并非是之前设想的潜在黑洞。相反,它们是脉冲星,有着非常密集的恒星残骸,看起来像灯塔一样释放脉冲。这一发现着实震惊了对ULX抱有期待的科学家们。


最近,科学家们研究了一组更有可能是中等质量黑洞的天体。2018年,Chilingarian和同事通过重新分析斯隆数字巡天(SDSS)的光学数据,并将预测的结果与钱德拉X射线天文台和XMM-牛顿X射线太空望远镜的X射线数据初步匹配后,描述了10个候选星体的样本。


他们现在正在智利和亚利桑那州使用地面望远镜进行跟踪。2018年,西班牙空间科学研究所的Mar Mezcua领导了一项独立的研究,也使用钱德拉X射线天文台的数据,发现了40个在矮星系中成长的黑洞,它们的质量可能也在这个特殊的中间质量范围内。但Mezcua和合作者认为,这些黑洞最初是在巨大星云的崩塌中形成的,而不是从恒星爆炸中形成的。



下一步呢?


在理论上,相较于大星系的中心的黑洞,较小的恒星系统(矮星系)可以容纳下质量更小的黑洞。因此,科学家们也在银河系的边缘,寻找抱团球状星团和其他星系的球状星团。


Strohmayer说:“在这样的星系中也可能有黑洞,但是如果它们不吸收很多物质的话,我们很难能看到它们。”这些中等质量黑洞急切地等待着詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的发射,它将带回星系诞生之初的第一缕曙光。韦伯太空望远镜将帮助天文学家找出究竟是星系还是它的中心黑洞先出现,以及黑洞可能是如何融合在一起的。通过结合X射线观测,韦伯太空望远镜的红外数据对我们认定一些最古老的黑洞候选者是十分重要。


今年7月,俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)在7月份发射的另一种探测装备被称为光谱X-Gamma,它是一种用X射线扫描宇宙的航天器,携带着一款由NASA马歇尔航天飞行中心(NASA-MSFC)开发并制造的反光镜仪器。另外, LIGO-Virgo合作的引力波信息以及欧洲航天局计划的激光干涉空间天线(LISA)任务都将有助于这项搜索任务。


除了目前的仪器和技术以外,这些新的仪器和技术将帮助天文学家继续在宇宙的大花园中搜寻产生黑洞的种子,以及像我们这样的星系。


原文链接:

https://phys.org/news/2019-09-black-hole-seeds-cosmic-garden.html