“种子”黑洞真的存在吗?

作者: Elizabeth Landau

来源: 环球科学

发布日期: 2019-11-14

文章探讨了宇宙中黑洞的起源和成长过程,特别是关于“种子”黑洞的存在性问题。科学家们正在寻找中等质量的黑洞,这些黑洞可能是超大质量黑洞的前身。通过使用强大的望远镜和先进的探测技术,如LIGO和NuSTAR,科学家们正在努力确认这些黑洞的存在。文章还提到了一些可能的中等质量黑洞候选者,如HLX-1,并讨论了未来的天文观测技术如何帮助进一步研究黑洞的形成和演化。

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?

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。

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。

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。

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。

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