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所谓“不可能”黑洞被发现,黑洞质量禁区真的存在吗?

近来,LIGO-Virgo引力波勘探世界协作组宣告发现了至今最强的黑洞磕碰,由85倍太阳质量和66倍太阳质量的两个黑洞盘绕并组成为了一个142倍太阳质量的黑洞,其间质量差约8倍的太阳质量转化为能量巨大…

近来,LIGO-Virgo引力波勘探世界协作组宣告发现了至今最强的黑洞磕碰,由85倍太阳质量和66倍太阳质量的两个黑洞盘绕并组成为了一个142倍太阳质量的黑洞,其间质量差约8倍的太阳质量转化为能量巨大的引力波在时空中传达。论文一经上线,敏捷引起业界高度注重和热议,因其触及所谓“不或许质量”黑洞的问题。但这一黑洞质量“禁区”真的存在吗?这又必定是双黑洞并合吗?中等质量黑洞都存在于哪里?

撰文 | 刘辛味、楼宇庆

2020年9月2日,LIGO-Virgo引力波地理台协作团队正式宣布了一年多来的研讨剖析成果——他们发现了两个黑洞盘绕并合为142倍太阳质量黑洞的引力波事情,这两个黑洞的质量别离为85倍太阳质量和66倍太阳质量。这是现在该引力波地理台勘探到的最大质量黑洞并合事情,被以为初次发现了中等质量黑洞的实体存在。更令一些科学家振奋激动又一同不解的是,新的发现处于所谓黑洞质量规划的“缺口”,对天体物理进程中这类黑洞的构成理论模型和物理图画再次宣布应战。

GW190521双黑洞盘绕并合的数值模仿演示盘绕和并合,开释引力波。丨来历:N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration【相关视频请前往“返朴”群众号检查】

黑洞的构成与品种

自2016年初次发布勘探到双黑洞并合发生的引力波事情,以及2019年4月发布的M87星系中心的“超大质量黑洞相片”等一系列新发现以来,黑洞与引力波的研讨不只成为地理范畴的热门,也点燃了群众科普的狂欢。不过,跟着被宣布的引力波事情信号越来越多,双黑洞并合或许更为罕见的双中子星并合等事情似已家常便饭。事实上,LIGO与Virgo的世界协作团队至今现已正式宣布了勘探到的15次引力波事情,仅仅发现新的双黑洞并合事情也就不算十分新鲜的事了,而本次发布的142倍太阳质量的黑洞则让一些地理学家感到难以幻想,再次引发科学界和群众媒体热议,这又是为何?

中心问题在于142倍太阳质量的黑洞,以及并合前构成它的85倍太阳质量的黑洞,并不在现在某些所谓干流的黑洞构成理论之中。也便是说,这个质量规划内的黑洞是怎样从世界时空中冒出来的,好像没有像样的天体物理故事。

黑洞相关理论现已提出超越百年。1915年爱因斯坦宣布广义相对论后不到一年,德国天体物理学家史瓦西就从广义相对论中推导出了今日称之为球对称黑洞的数学解,一个黑洞的半径为2GM/c2。有必要弥补一点,荷兰物理学家Johannes Droste在史瓦西几个月后独登时得到了黑洞球对称解,其数学推导比史瓦西的更简练。他是闻名物理学家洛伦兹的学生。直到1963年,29岁的新西兰数学物理学家克尔进一步从广义相对论中推导出轴对称的旋转黑洞解。几十年来,地理学家依据不同的模型,选用不同的观测方法在世界时空中由远及近估测拔尖多大巨细小的黑洞候选体,为它们分门别类,并探求它们或许的物理来历和构成途径。

在恒星演化模型中,黑洞能够由一颗大质量恒星逝世后引力塌缩而构成。当恒星本身的核聚变燃料逐渐耗尽,热核聚变反应发生向外的辐射压力和气体压力一同不足以反抗永久向心的引力,该大质量恒星就会失稳向内迅猛引力塌缩,引发能量与众不同的超新星爆破,终究在其间心只留下一个连光都逃逸不出的黑洞。

恒星演化的成果要考虑其初始质量,它们中心终究并非必定成为黑洞,大部分质量偏小的恒星的结局其实是白矮星或中子星。理论核算标明,终究要构成黑洞的大质量恒星的中心至少要在3到4倍太阳质量以上。这是因为现在理论估量的物质极点细密的中子星质量上限约为3倍太阳质量,质量再大则星体失稳,能够塌缩,也能够爆破。

地理学家将现已发现的黑洞按它们的质量一般分为恒星级质量黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞三类。理论上还预言存在世界前期诞生的,标准和质量极小的原初黑洞,以及近些年来提出的绝超质量黑洞,它们的质量规划包括10^ 10-10^ 12倍太阳质量乃至更大,能够在世界包括前期世界中的巨大物质库中动力塌缩构成,并且已有重要观测依据的支撑。

此图展现细密天体白矮星、中子星和黑洞的质量规划及大致分类,单位选用太阳质量,即 2X10^ 30千克丨图源:NASA

很显然在上图中,从几百到几十万倍太阳质量之间有一个很大的中等黑洞质量区间,莫非这一质量规划内的黑洞不存在吗?非也。实际上,现在已有不少直接的观测依据暗示着中等质量黑洞的存在。在理论上,大种子黑洞支撑者以为,因为黑洞的质量生长有速度极限,世界学成果以为世界前期就应该有许多超大质量黑洞,它们应该是由大种子黑洞生长而成的。这些大种子就包括中等质量黑洞。但这种假说还没有相对直接的观测依据。

至于中等质量黑洞是怎样来历的,地理学家以为或许是世界前期超新星迸发或气体云的坍缩构成。此刻恒星的重元素大都会集在其间心,终究会呈现更强壮的迸发。而后来构成的恒星,重元素就在其外表,在演化中终究或许被星风吹走,导致不易构成大质量的黑洞。假如这种假定建立,开始构成的中等质量黑洞还应该一向存在,但是咱们还未发现它们。

除此之外,中等质量黑洞有或许在球状星团的中心区域构成,也有或许在矮球星系中心存在。理论上,天体物理学家提出中等质量黑洞或许由超大质量恒星动力塌缩而成,还或许因磁化超大质量恒星的广义相对论磁流体径向脉动失稳塌缩而成,后者构成的黑洞具有极为广大的质量规划,一同包括中等质量黑洞和恒星级质量黑洞。

Tips

所谓的恒星级质量黑洞的质量规划一般在几倍到上百倍太阳质量,地理学家幻想它们正是由大质量恒星天然演化引力塌缩而构成的。此前经过引力波勘探到的十几个双黑洞都归于这一类型。事实上在被引力波试验声称勘探到之前,几十个太阳质量的黑洞并未遭到满足的注重和着重,它们的天体物理成因也并未被深化探求。依据几年来的引力波事情观测,现在地理学家则经历上以为它们应当遍及在各个星系之内,也或许游荡于世界空间。

在很长时刻内,超大质量黑洞的传统质量规划一向在百万到几十亿倍太阳质量之间。依据几十年的观测,地理学家揣度每个星系中心都存在着这类黑洞,比方咱们银河系中心存在约410万倍太阳质量的黑洞,这仅仅超大质量黑洞中的小字号;而初次具有“靓照”的M87星系中心的黑洞约有65亿倍太阳质量,算超大质量黑洞中的大块头。

超大质量黑洞的构成直接关系到星系构成和世界演化,而它们的诞生和演化则是个开放性的重要前沿问题。黑洞周边物质吸积盘的存在,及其与黑洞彼此效果而发生的各类高能活动有助于黑洞勘探和预算黑洞参数。但是一个黑洞从其周边吸积盘获取质量的吸积率远远不够高,所以一个超大质量黑洞的主体质量绝大部分从何而来,是天体物理学和世界学中一个不行逃避的中心问题。特别是在前期世界中,世界大爆破后10亿年间超大质量黑洞乃至绝超质量黑洞的存在,从时刻上使得这些黑洞快速构成的问题极为尖利。

一种假定以为质量较大的黑洞先由多个相对较小质量的种子黑洞并合,依据这个图画推演,若要构成超大质量黑洞和绝超质量黑洞,则必须有十分频频且持续不断的各种质量黑洞并合。如此会导致的一个不行避免的成果——世界时空中应当存在随机的引力波涟漪布景。地理学家期望经过这些引力波辐射对多个毫秒射电脉冲星所宣布周期信号的弱小影响,来测定它们的存在。世界上有若干个PTA项目企图勘探这个布景,但到现在为止均未成功。就探究计划而言,这儿触及的模型、假定、剖析计划和技能道路等都存在适当的不确认性。因而以长时刻持续不断的黑洞并合来构成超大质量黑洞,乃至绝超质量黑洞的物理图画仅仅是一个假说。

还有其他方法来构成超大质量黑洞和绝超质量黑洞吗?实际上,大质量黑洞彻底能够在巨大物质库中经过引力塌缩直接构成其主体部分,然后再在长时刻内吞噬吸积物质逐渐演化。特别是在前期世界中,现已发现存在超大质量黑洞和绝超质量黑洞的存在依据,这预示着世界大爆破后约10亿年间,逐渐冷却的世界现已散布着大巨细小的物质库。詹姆斯·韦伯空间望远镜计划于2021年发射升空,它有强壮的红外波段勘探才干。若发射运转顺畅,等待JWST能在前期世界中发现更多的超大质量黑洞和绝超质量黑洞。

中等质量黑洞之谜

那么有报道说“不或许质量”黑洞被发现到底是怎样回事呢?这儿所谓的“不或许质量”黑洞是指,在中等质量黑洞规划内处于质量低端的那一部分,存在一个“不或许”的黑洞质量缺口。简略来讲,便是大致处于某一特定质量规划内的恒星核,当恒星中心温度满足高时,因为星体中心正负电子对不稳定性的效果,恒星终究会发生剧烈高能量核爆破,炸碎整个星体,然后不能构成必定质量规划内的黑洞。还有所谓恒星内部脉动性正负电子对不稳定性,引发形形色色的超新星爆破方式,但终究构成残余物的质量小于约65倍太阳质量。

早在上世纪60年代初,闻名的英国地理学家霍伊尔和美国核物理学家威廉·福勒提出假如超大质量恒星内部温度高到必定程度,其电磁辐射场中的高能γ光子能够转化生成正负电子对,因而高能γ光子数目锐减,导致光子气体所发生的辐射压下降,不足以反抗向内的强壮引力,超大质量恒星的内核就变得不稳定了,也便是所谓的PI。弥补说一句,时至今日人们仍然在寻觅超大质量恒星的依据。

多年后,美国天体物理学家S. E. Woosley进一步约束了条件,他依据恒星模型的数值模仿成果提出,假如恒星中心的氦核质量稍小,32到64倍太阳质量,或许会呈现PPI。PPI的大致意思是说,恒星内部因为发生正负电子对而缩短后,再发生热核反应,开释了更多γ射线,适当于辐射压再次进步,就像又往外“拱”了一下。而γ光子还会再成为正负电子对,这样重复径向振动若干次,因而称之为脉动性的。之后恒星或许构成新的平衡态,终究成为核塌缩超新星,留下物质变成细密的天体——很或许是黑洞,或是直接爆破,物质抛向世界,但中心残存物的质量小于约65倍太阳质量。

PI和PPI的呈现与恒星质量有关。假如恒星中心氦核质量更大,到达64到135倍太阳质量,就直接呈现PI,此刻塌缩引发的热核反应激烈,一切物质都灰飞烟灭,整个星体被炸碎,因而也就不能在中心构成黑洞。假如氦核质量更大,PI引发的引力塌缩所开释的核能量不够高,也就无法反转中心崩塌,仍然导致黑洞的构成。由此模型推论就呈现了一个在65-133倍太阳质量的黑洞质量缺口。

应该指出,界定黑洞质量缺口的边界依托许多要素,不同的超新星爆破模型、恒星金属丰度、星风、中微子、恒星旋转都会影响这一进程,所以数值并不很切当,这儿给出一个大致数量级。LIGO-Virgo协作团队的研讨人员挑选了较为遍及选用的数值,权且能够以为依据现在许多恒星模型的数值模仿,这一规划质量的黑洞不太或许由一大类常用模型恒星直接坍缩构成。

对不稳定超新星的作业机制

恒星越大,爆破越强1.在极为巨大的恒星中,引力的挤压在某种程度上与来自星体中心光子的压力坚持平衡

2.在满足高的能量下,光子自发地转化成正负电子,压力下降。(星体) 中心缩短。

3.一个更小、更细密的中心发生了更大的引力。这些添加的引力使恒星中心被挤压得更严密。更多的光子转化成了正负电子对,中心持续缩短,全面失控剑拔弩张。

4.中心变得十分火热,愈加细密,当中心内的氧离子忽然聚熔在一同,开释出巨大的能量。

5.这颗恒星终究爆破彻底破坏,什么东西都不会留下,也更不会构成黑洞。图源:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

就验证而言,Woosley等人提出的理论成果好像不与曩昔看到的某些观测现象相悖。2007年地理学家发现了榜首颗对不稳定超新星SN2007bi,其间心约100倍太阳质量,迸发后将22倍太阳质量的物质抛向了星际,迸发的规划是一般超新星迸发的数百倍。此外,脉动对不稳定超新星也有一些或许的潜在候选者。所以在中等质量黑洞的低端部分,存在缺失的一环是一大类模型恒星的数值模仿成果,陈说较为明晰。

观测试验团队倾向用勘探成果来直接应战陈说明晰、放话最狠的理论预言, LIGO-Virgo引力波勘探协作团队深谙这一点,用这一类模型的数值模仿成果,有的放矢,更能一同引起观测家和理论家的爱好,使得这一观测成果广为注重。研讨人员以为本次GW190521引力波事情的三个黑洞中至少有一个黑洞的质量落在这一PI导致的黑洞质量缺口之内,也是初次相对直接勘探到中等质量黑洞,这便是许多地理学家惊呼的原因了。

事实上,PI模型并不是仅有解。近年来天体物理学家提出了磁化大质量恒星模型。暂不考虑恒星旋转的要素,在十分大的质量规划内,大质量恒星内部有电磁波辐射场、热气体和磁场,能够由各种或许的不同组份份额构成处于中止平衡态的磁化大质量恒星。依据这类模型,能够更进一步进行球对称径向扰动稳定性剖析,并且触及的静态平衡和扰动都是在广义相对论结构中进行。要害在于,这类恒星内部温度彻底能够不必高到发生正负电子对不稳定性,然后不触及PI或许PPI所触发的热核反应。一旦这类磁化大质量恒星逐渐演化到广义相对论磁流体扰动失稳时,整个磁化恒星体系就能够直接动力塌缩构成各种质量的黑洞——包括恒星级质量黑洞和中等质量黑洞,并不会存在中等质量黑洞低端的断档。一同,这类进程能够在相应的物理参数规划内表现为世界时空中的γ射线暴和快速射电暴,或许是其他波段的短暂而激烈的高能电磁迸发。

插曲:追溯高能γ光子发生正负电子对的试验现象这儿再讲一个关于高能γ光子发生正负电子对这一试验现象的插曲。今日高能天体物理进程中常常用到的正负电子对这一重要物理概念,正是源于在试验室中最早发现正负电子对的核物理试验——由我国核物理前驱赵忠尧先生初次试验发现。

1927年,赵忠尧前往美国加州理工学院留学,师从美国闻名试验物理学家、诺贝尔奖得主密立根攻读博士学位。原本密立根只给了他一个简略的标题以便让其赶快取得学位。但是赵忠尧却以为这项关于光学干与的试验过于简略,期望学习更多的物理和试验技能。他这样的主意乃至让密立根觉得他有些不知天高地厚,但终究仍是赞同让他做了前沿试验课题,“硬γ射线经过物质时的吸收系数丈量”,验证其时刚面世的康普顿散射公式——克莱因-仁科公式,这是对低能经典的汤姆森 (Thompson) 散射的高能相对论推行,触及量子电动力学。硬γ射线标明能量高的γ射线光子,即电磁波长更短或频率更高。

1929年,赵忠尧试验发现只要轻元素的γ射线吸收较为契合理论公式预言,而重元素的试验丈量成果比理论核算成果大了约40%,他称此现象为γ射线的反常吸收。在稍后的一段时刻内,英国剑桥卡文迪许试验室的G. T. P. Tarrant,德国威廉皇帝学会化学研讨所的迈特纳和H. H. Hupfeld也发现了γ射线的反常吸收现象。1930年赵忠尧在对γ射线散射辐射强度和角散布的试验中发现,伴跟着γ射线的反常吸收还呈现了能量为0.5MeV的“附加散射辐射”。

实际上,这便是正负电子对湮灭而转化为一对γ光子的湮灭辐射,而反常吸收正是因为能量满足高的入射γ光子湮灭转化为正负电子对而使得γ光子数目削减——赵忠尧现已找到了正电子存在的依据,它便是对应带负电的电子的反物质粒子。十分惋惜的是,其时狄拉克方程对或许存在反粒子的理论预言刚刚提出不久,赵忠尧和密立根都没能把反常的试验成果与狄拉克的理论联系起来。英国和德国的两个小组别离得出的试验成果不只晚于赵忠尧的试验,并且成果也不正确,并没能得出要害的0.5MeV。

更惋惜的是,从理论上解说正负电子对湮灭和辐射做出重要作业的布莱克特和奥基亚利尼在他们的论文中并未正确地引证赵忠尧的试验作业成果。各种要素归纳在一同,客观上影响了世界物理学界对赵忠尧试验成果的及时必定,直接导致他的重要贡献被一同代学者所忘记。

1932年,同是密立根学生的安德森首先在高能世界射线中发现了正电子,由此与维克托·赫斯同享了1936年的诺贝尔物理学奖,他后来标明遭到了赵忠尧试验成果的启示。直到上世纪80年代末,由闻名物理学家杨振宁先生等人深化考证相关文献后,这段重要的物理学前史才得以弄清。

诺贝尔物理奖评审委员会前主席G?sta Ekspong在拜访我国科学院高能物理研讨所时曾留言,“我遇到了一位发明了巨大前史记录的人,即赵忠尧教授,他几乎在1930年就发现了正电子,是在安德森之前。”

作为榜首例反物质粒子,正电子的发现对人类知道世界中的物质有着深入重要的含义,这是我国学者对物理学开展做出的极为重要贡献。今日咱们知道不只仅是电子,每一种正物质粒子都有与其相对应的反物质粒子,它们遵照1928年面世的狄拉克方程。

双黑洞并合,仍是其他?

2019年5月21日,LIGO的两座干与仪,以及意大利北部Virgo干与仪在第三次运转期间检测到了这次事情信号。新发现发明了引力波勘探的多项纪录——初始双黑洞最大,别离为85倍太阳质量和66倍太阳质量;并合后的黑洞质量最大,142倍太阳质量;并合进程中转换为引力波能量的黑洞质量最多,约8倍太阳质量以强壮引力波能量的方式从双黑洞并合处向世界时空辐射出去;间隔最远,引力波信号用了70亿年传到咱们地球,考虑到世界胀大的要素,黑洞间隔地球约170亿光年。

图中给出10个双黑洞并合引发的引力波事情,并用小球的巨细形象地代表黑洞质量。就Schwarzschild黑洞而言,黑洞质量与黑洞半径呈线性关系。GW190521事情是到现在为止发现最大质量的双黑洞并合事情。丨图源:LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

这次信号来得也很短促,只持续不到0.1秒。并且信号峰值频率约60Hz,恰是美国城市交流电频率。关于从事数据剖析的科学家来说,短信号或有或许仅仅一次噪声。研讨人员在宣布于《物理学谈论通讯》的论文中标明,他们并未发现显着的电力动摇,检测供电体系的传感器十分灵敏,因为电压动摇比一般的瞬态噪声还小得多。

他们将该信号与开始发现引力波的信号进行比照,“这更像是某种东西‘爆破’,并且是LIGO-Virgo勘探到最剧烈的信号”,法国国家科学研讨中心研讨员Nelson Christensen说。LIGO-Virgo多个团队对信号进行了详细剖析,布景噪声相关于以往并无太大不同,又扫除了其他偶尔事情,让他们确认信号不是噪声。

那么终究是否是引力波信号呢?LIGO-Virgo协作团队有两类算法来辨认信号,一种是在数据中挑选出特定的模型双星并合信号,依托设计好的双黑洞或中子星等天体运动的模型作为模板,并且为了彼此验证,这类算法中是两种不同的东西;另一种是更“全能”,针对各种突发信号,错误率仅为4900年一次,最早发现的引力波信号便是经过这种算法发现的。三种算法都发现了本次事情信号,在PRL的论文中,他们首要解说了算法识其他真实性,必定了信号源于引力波,并且契合双黑洞并合模型,一同确认相关参数。

上三张图中,GW190521引力波事情信号埋藏在布景噪声中,并且相对LIGO的而言,Virgo的信号很弱。下三张图中,不同频率成分的信号强度随时刻的改变;相同地,用人眼辨别很难判别Virgo是否勘探到信号。丨图源:DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.101102

一同宣布在《天体物理学杂志通讯》的文章详细剖析了信号来历。双星体系并合的引力波模型中首要分三个阶段——盘绕、并合和铃宕。事情信号虽短,但整个进程契合广义相对论解析/数值解和数值相对论模仿给出的双黑洞并合模型。值得一提的是,铃宕阶段模仿给出终究黑洞的有用进动自旋较大,暗示了存在进动——黑洞的自旋轴与轨迹轴不一致而引发的。事实上,自动检测信号的算法中并没有归入黑洞自旋轴盘绕轨迹轴进动的模型,所以研讨人员在检测到信号时就忧虑模板不适用,终究模仿成果是黑洞自旋轴盘绕轨迹轴的进动对模型影响很小。这好像暗示着某种程度的模型参数简并。

数值相对论模仿显现黑洞演化并开释出引力波辐射丨来历:D. Ferguson, K. Jani, D. Shoemaker, P. Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration【相关视频请前往“返朴”群众号检查】

GW190521事情双黑洞并合的艺术幻想图。箭头代表黑洞的自旋,网格标明旋转带来的时空度规拖拽效应和向外传达的引力波涛。前文说到的若干正在运转的脉冲星计时阵列(PTA)的观测项目,便可借此图夸大地幻想:射电脉冲星在引力波扫过时会晃来晃去。地理观测者正是想用经过仔细挑选的多个毫秒脉冲星构成一个巨大的空间阵列,从脉冲信号数据的归纳剖析中勘探出弱小的引力波涟漪布景。丨图源:Raúl Rubio/Virgo Valencia Group/The Virgo Collaboration

因为信号很短,研讨人员也考虑了其他模型的或许性。在天体物理学研讨中,一次事情契合多种模型是常见的状况。论文中一口气给出了5个不同的或许代替计划,其间包括非零轨迹离心率和正面磕碰,并不像以往两个黑洞成圆轨迹旋转着并合;强引力透镜效应;原初黑洞并合;世界弦信号;核坍缩超新星迸发。惋惜这些模型的拟组成果均不如双黑洞并合模型来得好。美国加州理工学院LIGO项目成员Alan Weinstein教授说:“断语咱们发现了新东西的门槛十分高,咱们一般运用奥卡姆剃刀准则,简略的解决计划便是最好的解决计划,在这个比方中便是双黑洞并合。”

就在LIGO-Virgo团队刚完结论文时,兹威基瞬态设备项目组声称他们发现了该信号候选的电磁对应体——活动星系核的耀斑。活动星系核是星系的中心核有剧烈活动的现象,一般估测这儿存在超大质量黑洞,黑洞与其吸积盘彼此效果吞噬物质时就有或许呈现激烈的电磁迸发。他们的团队假定双黑洞并合后发生的引力波将剩下黑洞和周围物质反冲面向了吸积盘,而观测到的电磁信号似契合这一模型。现在还不能确认ZTF勘探到的电磁迸发与黑洞并合的相关,但这一幻想也足以让地理学家振奋了。

假如是双黑洞并合,142倍太阳质量的中等质量黑洞就很简略解说。但是,初始的两个黑洞一个正落在黑洞质量缺口之内,一个处于黑洞质量缺口的下边际,那么它们又是怎样构成的呢?

研讨人员给出了三种模型:两对双恒星级质量黑洞并组成两个二代黑洞,考虑到这两个二代黑洞要在细密的环境内持续并合,其实这一模型图画也并不简略;年青星团中的恒星并合,一颗已演化出氦核的恒星与主序伴星磕碰并组成为一个巨星,在进入PI阶段前就坍缩成黑洞;活动星系核吸积盘内黑洞并合,黑洞吸积盘里的物质有助于小型黑洞的生长并合。至于终究哪种计划胜出,还有赖于未来更多中等质量黑洞的发现。

“世界版2048游戏”。此图以问号“?”的方式主张两对相对更小的黑洞别离并合先构成66倍太阳质量和85倍太阳质量的黑洞,意图是直接逃避大质量恒星演化中由PI构成所谓的黑洞质量禁区。然后66倍和85倍太阳质量的双黑洞并合构成142倍太阳质量的黑洞,其间约8倍太阳质量转化为强壮的引力波能量向世界时空中辐射,终究被悠远地球上的LIGO-Virgo干与仪勘探到。丨图源:LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

中等质量黑洞在哪里?

长时刻以来,地理学家一向没找到中等质量黑洞存在的决定性依据,但在三类天体体系中发现了它们的蛛丝马迹。

榜首类是球状星团的中心。这类早在数百年前就被人类注意到的呈球状的天体体系,由数万到乃至数百万颗恒星因引力捆绑而组成。地理学家估测它们或许是逝世星系残留的中心,在强壮的引力效果下构成了适当完美的球状结构。人们在银河系内就已发现了150余个球状星团。依据经历的外推,地理学家一向置疑其间央十分或许存在几千或几万倍太阳质量的黑洞。

有意思的是,球状星团作为候选者在理论上的原因是对超大质量黑洞延续性的探究。十几年前,地理学家发现了超大质量黑洞与其母盘状星系核球区的,或其母椭圆星系的恒星平

质量),显着呈对数线性关系。那天然就会想到持续向黑洞质量下限探究,到了10^ 5倍太阳质量的黑洞或再往下,所对应的恒星体系便是球状星团了。地理学家对球状星团的观测研讨现已超越50年,这儿面就发现了多个有潜质的星团。但是,这些球状星团中心区所宣布的X射线、运动速度等实测成果与动力学模型比较标明,黑洞模型并非仅有解说。到现在为止,还未呈现确凿的依据标明球状星团中有中等质量黑洞,但也不能扫除。假如拿现在若

析,人们仍然能够得到很强的相关性,相同呈对数线性关系。这很或许提醒了动力学体系演化中的某种普适性质。

球状星团 (globular cluster) 能够由上百万颗恒星因引力捆绑而构成的球状体系。本光学图片是球状星团杜鹃座47,被以为中心存在一个2200倍太阳质量的黑洞,但对该星团中的射电脉冲星的长时刻观测数据似不支撑黑洞存在。丨图源:Dieter Willasch (Astro-Cabinet)

第二类是极亮X射线源,这类天体亮度超越10^39 erg/s,远远超越一般银河系X射线双星的亮度,并且不在星系动力学中心。究其根源,一种或许的解说便是中等质量黑洞存在,原因在于它的亮度超越恒星级黑洞的爱丁顿极限,而恒星级黑洞的爱丁顿极限也就在10^39 erg/s量级。所谓爱丁顿极限是指恒星或吸积盘理论上所达的最大亮度,此刻光子向外的辐射压力与物质引力平衡。假如亮度更高,即辐射压更强,则物质吸积中止,辐射压力向外驱动物质构成星风会把恒星外层吹走,对吸积盘来说也不再有吸积进程,因而也就不存在黑洞了。

另一方面,地理学家也扫除了射线源是超大质量黑洞。首要原因在于它不在星系中心,否则在构成进程中会与中心的超大质量黑洞彼此引力招引,终究并合,但是底子没有发现到这一进程应开释出的激烈信号。经过实测与模仿,渐渐吞噬物质的中等质量黑洞成为合理的解说,比方恒星黑洞双星体系,黑洞吸积恒星的物质;或是在极点状况下快速吸积物质的恒星级质量黑洞。不过后来更多的观测显现,许多闻名的ULX更有或许是脉冲星。

NGC 5408 X-1的艺术幻想图。该源曾被以为是中等质量黑洞最佳候选者,由中等质量黑洞和恒星组成的双星体系。丨图源:NASA

第三类,也是现在最有期望找到中等质量黑洞的是矮星系中心。相较于银河系的数千亿恒星,矮星系的规划显得藐小许多,大约组成从数千到几十亿颗恒星不等。已然现已能确认星系中心都具有超大质量黑洞,那么矮星系中心会有个头小一点的黑洞吗?经过不断观测剖析,地理学家以为确实是有的。

2006年,地理学家发现一个激烈的X射线耀斑,其时还不能确认来自咱们银河系内仍是系外,理论标明或许是一颗恒星接近引力强壮的细密天体后被吞噬所导致X射线迸发,或许是银河系内的一颗中子星,正处于迸发后的冷却阶段。本年3月,美国新罕布什尔大学林达成团队宣布最新的成果,他们使用哈勃望远镜找出了它的切当方位,射线源来自银河系外一个细密的星团,或许是一个低质量矮星系的中心。他们使用哈勃和XMM-牛顿卫星一同进行了光学和X射线波段的观测,扫除了射线源是中子星的或许。射线源最佳解说是一个5万倍太阳质量的黑洞。美国航空航天局声称,这是哈勃空间望远镜发现中等质量黑洞的最佳依据。

哈勃空间望远镜的高档巡天相机拍下了射线源的方位,白色圆圈标记了3XMM J215022.4?055108所在方位。丨图源:NASA/ESA/D. Lin

此前地理学家在透镜状星系ESO 243-49边际发现过一个周期性迸发的X射线源,亮度高到达10^42 erg/s,因而得名HLX-1。此前以为HLX-1是一个500倍太阳质量的黑洞,坐落一个蓝色细密矮星系的中心,该星系与大星系ESO 243-49磕碰并合导致矮星系的恒星被黑洞吞噬,导致X射线迸发。后来我国学者剖析了6年的雨燕空间卫星的监测数据,从迸发的规则剖析估测或许是双星体系,其间包括一个几千倍太阳质量的黑洞。

哈勃空间望远镜-宽视场望远镜3所摄。白色圆圈里边的蓝色小点即ESO 243-49,HLX-1所在方位丨图源:NASA/ESA

中等质量黑洞的候选者不少,但是难见真身,究竟除了引力波的相对直接勘探,黑洞只能经过周围星体运动或吸积开释的X射线、喷流等直接观测。

“夜空中最亮的星,能否听清……”《漂泊地球》的片尾曲,唱尽了人的孤单,也唱出世界无垠,并且有科学道理。关于黑洞的各种问题,只待未来更多观测事情才干告知咱们相对切当的答案。

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