ASA的南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜将于本世纪20年代中期发射升空,届时它将为红外宇宙提供一个前所未有的窗口。该任务计划中的一项调查将利用引力的奇特之处来揭示太阳系以外的数千颗新行星。同样的调查还将提供迄今为止最好的机会,首次明确探测到孤零零的小黑洞。当一颗质量超过20个太阳的恒星耗尽其核心的核燃料,并在自身重量的作用下坍塌时,这些天体就被称为恒星质量黑

黑洞具有强的引力,连光都无法逃脱它们的魔爪。由于黑洞看不见,我们只能通过观察它们对周围环境的影响,间接地找到黑洞。在星系中心发现的超大质量黑洞,其质量是太阳的几百万倍,它们会扰乱附近恒星的轨道,偶尔还会将它们撕碎,造成可见的后果。

天文学家认为,绝大多数恒星质量的黑洞要轻得多,它们周围没有任何东西可以提示我们它们的存在。罗曼望远镜将通过观察行星的引力如何扭曲遥远的星光来发现整个银河系中的行星,由于恒星质量的黑洞也会产生同样的效果,所以这项任务应该也能找到它们。

这个动画用黑洞说明了引力微透镜的概念。当黑洞从背景恒星的前方经过时,恒星的光线在穿过黑洞周围扭曲的时空时就会发生扭曲。它变成了一个虚拟的放大镜,放大了遥远的背景恒星的亮度。与质量较小的恒星或行星作为透镜对象时不同,黑洞扭曲了时空,以至于明显改变了遥远恒星在天空中的视位置。
视频来源:美国宇航局戈达德航天局;美国宇航局戈达德太空飞行中心/概念图像实验室

“到目前为止,天文学家已经在银河系中发现了大约20个恒星质量的黑洞,但我们都能看到它们的伴星,”巴尔的摩太空望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute)的天文学家凯拉什·萨胡(Kailash Sahu)说。“许多科学家,包括我自己在内,花了数年时间,试图用其他望远镜自自行寻找黑洞。有了罗曼望远镜,这一切都将成为可能。”

制造黑洞

恒星似乎是永恒的灯塔,但每颗恒星天生的燃料供应有限。恒星一生中的大部分时间都在将其中心的转化为氦,从而产生巨大的能量。这个过程被称为核聚变,就像一场受控的爆炸–外压和引力之间微妙平衡的拉锯战。

但当恒星的燃料耗尽,核聚变速度减慢时,引力接管,恒星的核心收缩。这种向内的压力加热了核心,并引发了新一轮的核聚变,产生巨大的能量,以至于恒星的外层膨胀。恒星体积膨胀,表面冷却,成为红巨星或超巨星

最终留下的恒星尸体类型取决于恒星的质量。当类似太阳的恒星燃料耗尽时,它最终会喷射出外层,只留下一个小而热的核心,称为白矮星。白矮星会随着时间的推移而消逝,就像曾经熊熊燃烧的火焰的余烬。我们的太阳还剩下50亿年的燃料。

更大质量的恒星运行温度越高,它们消耗燃料的速度也就越快。在大约8倍于太阳的质量之上,大多数恒星注定要在成为黑洞之前, 死于被称为超新星的灾难性爆炸中。在质量最高的恒星上,恒星可能会跳过爆炸,直接坍塌成黑洞。

这些质量巨大的恒星的核心会坍缩,直到它们的质子和电子挤压在一起形成中子。如果剩余的核心重量小于3倍太阳质量,坍缩就会停止,留下一颗中子星。对于较大的剩余核,即使是中子也无法承受压力,坍塌会继续形成黑洞。

数以百万计的大质量恒星都经历了这个过程,现在以黑洞的形式潜伏在整个银河系中。天文学家认为银河系中应该有大约1亿个恒星质量的黑洞,但我们只有在它们明显影响周围环境的时候才能发现它们。当黑洞周围形成炽热、发光的吸积盘时,或者当他们发现恒星围绕一个巨大但不可见的物体运行时,天文学家可以推断出黑洞的存在。

“罗曼望远镜将彻底改变我们对黑洞的搜索,因为它将帮助我们在附近什么都没有的情况下找到黑洞,”萨胡说。”星系应该到处都是这些物体。”

看不见的东西

罗曼望远镜将主要利用一种叫做引力微透镜的技术来发现太阳系以外的行星。当一个大质量的物体,比如一颗恒星,从我们较近的位置穿过一颗较远的恒星前时,来自较远恒星的光在穿过较近恒星周围扭曲的时空时会发生扭曲。

其结果是,较近的恒星就像一个天然的透镜,将来自背景恒星的光线放大。围绕透镜星运行的行星可以在较小的范围内产生类似的效果。

除了使背景恒星变亮之外,一个更巨大的透镜天体还能使时空扭曲,以至于明显地改变了远处恒星在天空中的位置。这种位置上的变化,被称为天体微透镜,非常小——只有大约一毫秒。这就好比从洛杉矶向纽约看过去,分辨出帝国大厦顶上大约四分之一宽度的小运动。利用罗曼望远镜精湛的空间分辨率来探测如此微小的明显运动——这是一个巨大黑洞的征兆,天文学家将能够限制黑洞的质量、距离和在星系中的运动。

微透镜信号是如此罕见,以至于天文学家需要长时间监测数以亿计的恒星才能捕捉到它们。天文台必须能够极其精确地追踪背景恒星的位置和亮度——这是只有在地球大气层之上才能做到的事情。罗曼望远镜在太空中的位置和巨大的视野将为我们提供迄今为止探测银河系黑洞数量的最佳机会。

“与我们预期的相比,我们在双星系统中发现的恒星质量黑洞具有奇怪的特性,”萨胡说。”它们的质量都是太阳的10倍左右,但我们认为它们的质量范围应该更大,在3到80个太阳质量之间。通过对这些天体进行普查,罗曼望远镜将帮助我们更多地了解恒星的死亡过程。”

南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜由位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心管理,参与该项目的还有NASA喷气推进实验室、南加州的加州理工学院/IPAC、巴尔的摩的太空望远镜科学研究所,以及一个由来自不同研究机构的科学家组成的科学团队。主要的工业合作伙伴是科罗拉多州博尔德的Ball Aerospace and Technologies Corporation、佛罗里达州墨尔本的L3Harris Technologies和加利福尼亚州千橡的Teledyne Scientific & Imaging。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/how-nasa-s-roman-space-telescope-will-uncover-lonesome-black-holes

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