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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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银河系中心的黑洞群

2019-07-17 23:53:00

  长期以来,天文学家预测在银河系的中心潜藏着一群黑洞。如今,他们第一次发现了这些黑洞。

  科学家们了解到,在星系中心有一个质量超大的黑洞,它比太阳大数百万倍,周围簇拥着质量不等的较小黑洞。在巨大引力的作用下,普通恒星及其塌缩后产生的残骸——中子星和白矮星等奇异天体会围绕着这个超大黑洞旋转。据推测,超大黑洞周围会有较小黑洞,它们要么源自于星系中心附近灭亡的巨型恒星,要么就是从更加遥远的地方迁移过来的。这些黑洞的质量比太阳大10至20倍。

  因而它们就如同沉重的卵石,会比细沙更容易迅速地沉入水底一样,挤过周围质量较小的恒星,到达距离银河系中心很近的稳定轨道上。

  自从20世纪70年代以来,研究黑洞形成过程的理论学家们一直都有这样的预测:星系中心周围簇拥着成千上万个黑洞,但它们有一个“边界”;而在边界外,黑洞的数量会骤然减少。尽管预测到黑洞是普遍存在的,但是这些黑洞非常暗淡,且极不活跃,在星系中心灿烂星光的照耀下,很难被探测到。

  利用12年来钱德拉X射线天文台的档案资料,哥伦比亚大学天体物理学家查克·黑利带领一个研究小组首次观察到了“边界”迹象。他们在距离银河系中心几光年处,发现了12个完全处于银河系超大质量黑洞的引力范围内的潜在黑洞。根据这12个黑洞系统的发光和空间分布情况,研究小组估计有1万至2万个黑洞围绕着银河系中心运转,但它们绝大多数是看不见的。除了这12个新发现的黑洞外,科学家们在整个银河系仅仅发现了大约60个黑洞,它们大部分位于远离银河系中心的地方。

  这项研究似乎证实了马克·莫里斯等理论家的预测。莫里斯是加州大学洛杉矶分校的天体物理学家。他在1993年预测:在银河系中心周围,会有数万个恒星大小的黑洞聚集成一个圆盘。在过去的几十年中,其他理论家也得出了同样的初步结论。莫里斯说:“这个观点是由简单的牛顿力学原理推导出来的必然结果,从来没有多少争议,但唯一关键的问题是,这一点很难证明。”而黑利则认为:“发现关于银河系中心拥有大量黑洞的证据,相当于证实了星系动力学领域一个重大而根本的预测。由于我们无法在其他更为遥远的星系中研究这些过程,因此这些天体还为我们提供了独一无二的实验场所,以帮助我们了解大型黑洞和小型黑洞之间是如何发生相互作用的。”

  黑利及其研究小组之所以使用钱德拉天文台的数据,是因为通过X射线进行的对银河系中心周围黑洞的观测,效果最为明显。黑洞与一颗小质量恒星相互环绕构成的双星系统会一直释放X射线,这是不断被黑洞吸收的恒星物质中的一些能量的释放形式。最终,恒星会被黑洞完全吞噬。恒星受到黑洞引力的吸引,其物质会在黑洞洞口外围堆积,形成一个不断扩大的螺旋形圆盘,即吸积盘。从地球附近的天区进行观测,吸积盘发出的强烈X射线会显得异常微弱,每隔5或10分钟向钱德拉天文台的光学仪器以逐个光子的形式送一次信号。此外,许多其他X射线源也会跟这种微弱信号混在一起。为了确定这12个黑洞的性质,黑利团队绘制出其光谱峰值,并跨越不同时段跟踪观测了它们的活动,发现其发光模式跟之前观测到的银河系其他区域的黑洞双星系统一致。

  莫里斯声称,这项发现虽然令人兴奋,但由于可供分析的光子总数太少,这12个被认定的黑洞中可能有些只是统计学意义上的巧合,也可能只是在发光频率上恰好跟其他X射线源一致。黑利也承认,在发现的12个X射线源中只有半数肯定是黑洞,而其余6个射线源所表现出的性质也可以解释为快速旋转的中子星,即毫秒脉冲星所发出的信号。

  尽管存在不确定性,没有参与这项研究的巴塞罗那大学天体物理学家乔迪·米拉尔达-艾斯库德还是认为,这些研究成果应该能够对未来的研究产生深远的影响。他说:“这样的发现总是会产生目前还无法预测的结果,但一旦得到证实,它将表明在整个宇宙中多数星系的中心同样存在很多在密度上相似的黑洞。”而要证实这一点,或许要借助钱德拉天文台再进行长达10年的观测,或借助其他有望接替钱德拉天文台的仪器了。

  若能进一步对这些隐藏在银河系中心的黑洞展开研究的话,研究引力波的科学家可能会从中获益良多。在一个多世纪前,爱因斯坦就预测到时空中拥有难以发现的涟漪,最近我们终于观测到了这些涟漪,而迄今发现的大部分涟漪都可以追溯到数十亿年之前正在融合的黑洞。令人难以理解的是,其中多数黑洞体积过大,不易直接由即将灭亡的大质量恒星形成。于是人们又有了另一种假设:异常巨大的黑洞由成群的恒星融合演化而来,这些成群的恒星被称为“球状星团”。但按常理推测,这一融合演化过程所需要的时间很长,往往超过了宇宙当前的年龄。莫里斯说:“那该如何解释呢?众多科学家对此做出了各种推测,但如今如果证实了有大量的黑洞簇拥在星系中心,那么就会存在某种机制,它可能会使某些黑洞快速生长,快速形成双星系统,也加快了相互融合。”若莫里斯的推断成立,“球状星团”融合演化过程所需要的时间也就不会超过宇宙的年龄了。

  黑利认为,科学家们不管用何种方法继续推进这一研究,结果都能“确定像银河系这样的常规星系中心处的黑洞数量”。这对那些研究引力波事件的人来说,具有非凡的价值。因为他们如果想掌握来自星系中心的引力波事件的性质以及数量,他们就需要掌握各种相关信息,而所有这类信息都集中在这个银河系的中心。

本文来自《科学24小时》

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