黑洞起源之谜


   2019-10-01 丨 科普 丨 nasachina  丨  No Comment 丨  544

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在广阔的宇宙中,最大的黑洞也是由黑洞“种子”产生的。它们通过气体、尘埃、以及吞噬其他物体吸取营养,大小和质量逐渐增加,从而成为主导星系的中心,例如我们的银河系中心的黑洞。然而,至今还没有人找到这些刚刚“萌芽”的黑洞。

有理论认为,超大质量黑洞(质量相当于数十万到数十亿太阳质量)是由我们从未见过的较小黑洞组成的。这个难以捉摸的群体,称为“中等质量黑洞”,有一百至十万太阳质量。迄今为止发现的数百个黑洞中,有很多相对较小的黑洞,但没有一个属于中等质量范围。

科学家们正与NASA强大的太空望远镜以及其他天文观测站合作,追踪满足这些描述的遥远天体。他们已经找到了数十个候选目标,正在努力确认它们是否是黑洞。即使确认了这些天体的黑洞身份,同时这也开辟了一个全新的谜团:中等质量的黑洞是如何形成的?

“为什么这个问题令人着迷?为什么人们花这么多时间来寻找这些中等质量黑洞?因为它们揭示了早期宇宙中发生的事件:初期的黑洞质量是多少?形成机制是什么?”加州理工学院(位于加利福尼亚州帕萨迪纳市)物理学教授、NASA NuSTAR任务(Nuclear Spectroscopic Telescope Array,核光谱望远镜阵列)的首席研究员Fiona Harrison说。

初步了解黑洞

黑洞是宇宙中密度极大的天体。当物质掉入黑洞,它们没有出路,甚至光也无法逃出来。黑洞“吃”掉的东西越多,它的质量和大小就越大。

黑洞的类型:
1-100太阳质量 = 恒星质量黑洞
100-100000太阳质量 = 中等质量黑洞
100000-数十亿太阳质量 = 超大质量黑洞

最小的黑洞称为恒星质量黑洞,是在恒星末期以超新星爆炸结束它们的一生时形成的。而超大质量黑洞是大型星系的中心锚点,我们银河系中的太阳和所有其他恒星都绕着名为射手座A*的黑洞运行,其质量约为410万太阳质量。最近被事件视界望远镜(ETH)捕捉到的M87有65亿太阳质量,这是首次观测到黑洞及其事件视界弯曲光所构成的“阴影”。

超大质量黑洞周围往往有吸积盘(accretion disks),由温度极高的高能粒子组成,它们靠近事件视界时会发光。如果黑洞吞掉的物质足够多,吸积盘内侧会很明亮,这种星系中心的结构被称为“活跃星系核”(active galactic nuclei,AGN)。

产生黑洞所需的物质密度令人难以置信。举个例子,要形成50倍太阳质量的黑洞,需要将相当于50个太阳的质量放进直径300公里的球中。对于M87中心的黑洞,这相当于把65亿个太阳压缩到比冥王星轨道略大的球。无论是哪种情况,所需密度都极大,所有物质必须塌缩成一个奇点(singularity,密度无限大)。

黑洞起源之谜的关键在于其生长速度的物理限制:一定数量的物质会被事件视界附近的高能辐射所推出去。因此,在三千万年间,一个低质量的黑洞可能只能质量翻倍。

来自史密森尼天体物理天文台(Smithsonian Astrophysical Observatory,位于马萨诸塞州坎布里奇)和莫斯科州立大学的天体物理学家Igor Chilingarian说,“如果一个黑洞从50个太阳质量开始,根本就不可能在10亿年内长到10亿个太阳质量。但是,据我们所知,宇宙形成后不到10亿年就存在超大质量黑洞。”

黑洞起源之谜

这张概念图描绘了一个最原始的超大质量黑洞(中央黑点)在年轻的星系中心。
Credits: NASA/JPL-Caltech

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