【博科園-科學(xué)科普】黑洞一特殊的天體且具有強大的引力、所到之處也是無所不毀滅吞噬！
【博科園-科學(xué)科普】黑洞一特殊的天體且具有強大的引力、所到之處也是無所不毀滅吞噬！
這個黑洞被x射線氣體包圍展示了一個主要的黑洞被識別和發(fā)現(xiàn)的方法。根據(jù)最近的研究僅在銀河系中就多達1億個黑洞。圖片版權(quán)：ESA, retrieved via
銀河系中有多少個黑洞？這個直截了當?shù)膯栴}被證明是極其困難的，因為黑洞很難直接探測。然而科學(xué)家們不僅已經(jīng)開發(fā)出了尋找甚至稱重的間接方法，我們還了解了宇宙是如何形成的，從恒星和恒星殘骸，如果我們能理解在銀河系歷史上不同時期存在的不同恒星，我們就能準確地推斷出今天銀河系中有多少黑洞和質(zhì)量。由于來自加州大學(xué)歐文分校的三位研究人員進行了一項全面的研究，首次準確地估計了在銀河系中發(fā)現(xiàn)的黑洞的數(shù)量。不僅我們的星系充滿了數(shù)以億計的恒星，而且我們還擁有多達1億個黑洞。
黑洞本身我們是看不見的，但在無線電和x射線的輻射下，它們可以讓我們進入它們的位置和物理性質(zhì)。圖片版權(quán)：J. Wise/Georgia Institute of Technology and J. Regan/Dublin City University
當你認為早在20世紀80年代科學(xué)家們還沒有確定黑洞是否存在的時候，這一切就更加引人注目了?，F(xiàn)在我們得到的最好的證據(jù)來自x射線和無線電發(fā)射源，它們產(chǎn)生的引力影響超過了中子星，但卻沒有光學(xué)或紅外線。隨后開始用多波長天文學(xué)測量銀河系中心恒星的運動，揭示出它們似乎繞著一個大質(zhì)量軌道運行，它需要包含約400萬個太陽的物質(zhì)。與其他更活躍的星系的觀測結(jié)果一致，我們現(xiàn)在相信包括我們自己在內(nèi)的每一個巨大的星系都包含一個超大質(zhì)量黑洞。
盡管這些是最大規(guī)模的黑洞，但它們并不是最常見的。事實上，宇宙有三種形成它們的方式，它們都起源于大質(zhì)量恒星：
1、當一顆恒星超過某一臨界質(zhì)量時，也許是20到40倍的太陽質(zhì)量，它的核心耗盡了核燃料在Ⅱ型超新星爆炸中結(jié)束生命，它的核心坍縮成一個黑洞
2、在不同的情況下一個巨大的恒星(也超過20個太陽質(zhì)量)可以直接坍縮成一個黑洞，沒有任何超新星信號(或吹掉它的外層)
3、當兩個中子星合并或碰撞時其質(zhì)量的3 - 5%就會被拋入星際介質(zhì)中，其余的則形成一個黑洞
兩顆中子星相撞，這是宇宙中許多最嚴重的元素周期表元素的主要來源。在這樣的碰撞中大約3 - 5%的質(zhì)量被釋放拋出，剩下的就變成了一個黑洞。圖片版權(quán)：Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc
因此如果我們能弄清楚星系是如何形成的，成長起來的，并在他們的歷史上創(chuàng)造了恒星，我們就可以運行模擬告訴我們在任何大小和合并的歷史上，星系中應(yīng)該存在多少黑洞。這正是奧利弗·d·埃爾伯特、詹姆斯·s·布洛克和Manoj Kaplinghat最近試圖做的工作。他們發(fā)現(xiàn)有三個問題需要知道答案才能得出黑洞的估計：
1、星系的總質(zhì)量是多少?
2、銀河系的總質(zhì)量是多少?
3、星系的金屬豐度如何？（即星系質(zhì)量的百分之多少是比氫和氦重的元素？）
如果你能觀察和或重建這三種屬性你不僅能分辨出里面有多少個黑洞，而且還能分辨出這些黑洞的典型質(zhì)量。
一個包含超大質(zhì)量黑洞的小星系的x光和光學(xué)圖像，其質(zhì)量僅為太陽質(zhì)量的幾萬倍。在這樣一個小星系中，黑洞的數(shù)量可能比我們銀河系中要少得多，但它們應(yīng)該比我們星系中更有質(zhì)量。圖片版權(quán)：X-ray: NASA/CXC/Univ of Michigan/V.F.Baldassare, et al; Optical: SDSS; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss
他們的發(fā)現(xiàn)有點違反直覺，大多數(shù)較小的黑洞(大約10倍太陽質(zhì)量)是在銀河系大小的星系中發(fā)現(xiàn)的，但較大的黑洞(約50倍太陽質(zhì)量)更有可能出現(xiàn)在矮星系中，只有我們自己的1%。根據(jù)首席作者奧利弗·埃爾伯特所說：根據(jù)對不同類型星系中恒星形成的了解，可以推斷出每個星系中形成了多少個黑洞。大星系是老恒星的家園，它們也有較老的黑洞。
這一切的原因都與在里面的重元素的分數(shù)有關(guān)。
19世紀的超新星爆發(fā)了一次巨大的噴發(fā)，將許多太陽的物質(zhì)從埃塔·卡林厄斯(Eta Carinae)的星際介質(zhì)中噴射出來。像我們這樣質(zhì)量恒星以一種在更小、更低金屬的星系中不存在的方式，噴射出大量的質(zhì)量。圖片版權(quán)：Nathan Smith (University of California, Berkeley), and NASA
當形成一個巨大的恒星時它并不一定永遠是巨大的。恒星演化的物理學(xué)意味著許多恒星通過噴射事件在時間上失去質(zhì)量。在它里面的元素越重，恒星失去質(zhì)量的可能性就越大，因此就更有可能形成質(zhì)量較低的黑洞。在銀河系中有很多重元素，特別是越來越多一代的恒星。但在低質(zhì)量的矮星系中，重元素要少得多，這意味著形成的黑洞可能會偏向于更重的質(zhì)量。
恒星爆炸星系Henize 2 - 10，距離3000萬光年遠。更大的質(zhì)量更高的星系比較小的星系有更多的黑洞，但較小的星系有更大質(zhì)量的黑洞。圖片版權(quán)：X-ray (NASA/CXC/Virginia/A.Reines et al); Radio (NRAO/AUI/NSF); Optical (NASA/STScI)
但值得注意的是這是平均的，實際上許多不同質(zhì)量的黑洞應(yīng)該出現(xiàn)在所有類型的星系中。我們最終要回答的一個大問題是這些黑洞的質(zhì)量分布可能在每個星系中。
對宇宙中恒星的總體數(shù)量以及它們出生時的質(zhì)量分布有了很好的了解，所以我們可以看出有多少黑洞應(yīng)該由100個太陽質(zhì)量或10個太陽質(zhì)量組成。我們能夠計算出有多少個大黑洞應(yīng)該存在，最終以百萬計，比預(yù)想的要多。
這些巨大黑洞的大量存在，對于解釋LIGO最近發(fā)現(xiàn)的黑洞合并有著巨大的意義。
已知的雙黑洞系統(tǒng)的質(zhì)量包括三個驗證的合并和一個來自LIGO的合并候選。圖片版權(quán)：LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)
在LIGO之前并沒有預(yù)料到30個太陽質(zhì)量的黑洞會吸入和合并到一起，但LIGO已經(jīng)告訴我們這些合并很可能是無所不在的。在最近的研究中有這么多的黑洞，將告訴我們LIGO迄今為止所看到的可能并不是特別的或不尋常的。在如此多的黑洞中只有一小部分需要在融合的軌道上解釋LIGO信號，研究表明只有0.1到1%的黑洞的合并被LIGO看到。
雖然我們已經(jīng)看到黑洞在宇宙中直接合并了三次，多虧了這項新研究我們可以準確地預(yù)測出不同質(zhì)量分布的黑洞。圖片版權(quán)：LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)
天文學(xué)家的下一步將是嘗試將引力波信號與光信號相互聯(lián)系起來，以確定這些不同的合并和信號發(fā)生在哪個星系。在接下來的十年里如果這個事件的速度與這項新研究一致，我們應(yīng)該預(yù)計會看到黑洞合并，其中一個成員的質(zhì)量可能是50倍太陽質(zhì)量。此外我們應(yīng)該開始能夠辨別這些高質(zhì)量的黑洞是否更傾向于聚集在較小的星系中，就像預(yù)測的那樣或者更大的星系是否占主導(dǎo)地位。
巨大的恒星殘骸比以往任何時候都更加明亮。僅在我們的星系中就有1億個黑洞，在宇宙中擁有數(shù)千億個銀河系大小的星系，我們的技術(shù)和科學(xué)進步在回答這些問題只是時間問題。
參考：NASA、ESA、LIGO等
作者：Ethan Siegel（天體物理學(xué)家）
