【博科園-科學(xué)科普】黑洞一特殊的天體且具有強(qiáng)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(qiáng)大的引力、所到之處也是無所不毀滅吞噬！
這個(gè)黑洞被x射線氣體包圍展示了一個(gè)主要的黑洞被識(shí)別和發(fā)現(xiàn)的方法。根據(jù)最近的研究?jī)H在銀河系中就多達(dá)1億個(gè)黑洞。圖片版權(quán)：ESA, retrieved via
銀河系中有多少個(gè)黑洞？這個(gè)直截了當(dāng)?shù)膯栴}被證明是極其困難的，因?yàn)楹诙春茈y直接探測(cè)。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(shí)期存在的不同恒星，我們就能準(zhǔn)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(jìn)行了一項(xiàng)全面的研究，首次準(zhǔn)確地估計(jì)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(jì)的恒星，而且我們還擁有多達(dá)1億個(gè)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(jìn)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(dāng)你認(rèn)為早在20世紀(jì)80年代科學(xué)家們還沒有確定黑洞是否存在的時(shí)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(zhǎng)天文學(xué)測(cè)量銀河系中心恒星的運(yùn)動(dòng)，揭示出它們似乎繞著一個(gè)大質(zhì)量軌道運(yùn)行，它需要包含約400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的物質(zhì)。與其他更活躍的星系的觀測(cè)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(gè)巨大的星系都包含一個(gè)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(shí)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(dāng)一顆恒星超過某一臨界質(zhì)量時(shí)，也許是20到40倍的太陽(yáng)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(gè)黑洞
2、在不同的情況下一個(gè)巨大的恒星(也超過20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量)可以直接坍縮成一個(gè)黑洞，沒有任何超新星信號(hào)(或吹掉它的外層)
3、當(dāng)兩個(gè)中子星合并或碰撞時(shí)其質(zhì)量的3 - 5%就會(huì)被拋入星際介質(zhì)中，其余的則形成一個(gè)黑洞
兩顆中子星相撞，這是宇宙中許多最嚴(yán)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(gè)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(zhǎng)起來的，并在他們的歷史上創(chuàng)造了恒星，我們就可以運(yùn)行模擬告訴我們?cè)谌魏未笮『秃喜⒌臍v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(gè)問題需要知道答案才能得出黑洞的估計(jì)：
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(gè)黑洞，而且還能分辨出這些黑洞的典型質(zhì)量。
一個(gè)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?jī)H為太陽(yáng)質(zhì)量的幾萬(wàn)倍。在這樣一個(gè)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(diǎn)違反直覺，大多數(shù)較小的黑洞(大約10倍太陽(yáng)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(yáng)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(duì)不同類型星系中恒星形成的了解，可以推斷出每個(gè)星系中形成了多少個(gè)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?jǐn)?shù)有關(guān)。
19世紀(jì)的超新星爆發(fā)了一次巨大的噴發(fā)，將許多太陽(yáng)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(dāng)形成一個(gè)巨大的恒星時(shí)它并不一定永遠(yuǎn)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(shí)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(huì)偏向于更重的質(zhì)量。
恒星爆炸星系Henize 2 - 10，距離3000萬(wàn)光年遠(yuǎn)。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(shí)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(gè)大問題是這些黑洞的質(zhì)量分布可能在每個(gè)星系中。
對(duì)宇宙中恒星的總體數(shù)量以及它們出生時(shí)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(gè)太陽(yáng)質(zhì)量或10個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量組成。我們能夠計(jì)算出有多少個(gè)大黑洞應(yīng)該存在，最終以百萬(wàn)計(jì)，比預(yù)想的要多。
這些巨大黑洞的大量存在，對(duì)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(gè)驗(yàn)證的合并和一個(gè)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(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞會(huì)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(hào)，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(xiàng)新研究我們可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(hào)與光信號(hào)相互聯(lián)系起來，以確定這些不同的合并和信號(hào)發(fā)生在哪個(gè)星系。在接下來的十年里如果這個(gè)事件的速度與這項(xiàng)新研究一致，我們應(yīng)該預(yù)計(jì)會(huì)看到黑洞合并，其中一個(gè)成員的質(zhì)量可能是50倍太陽(yáng)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(cè)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(shí)候都更加明亮。僅在我們的星系中就有1億個(gè)黑洞，在宇宙中擁有數(shù)千億個(gè)銀河系大小的星系，我們的技術(shù)和科學(xué)進(jìn)步在回答這些問題只是時(shí)間問題。
參考：NASA、ESA、LIGO等
作者：Ethan Siegel（天體物理學(xué)家）
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