你知道银河系有多少黑洞吗？

【博科园-科学科普】黑洞一特殊的天体且具有强大的引力、所到之处也是无所不毁灭吞噬！

这个黑洞被x射线气体包围展示了一个主要的黑洞被识别和发现的方法。根据最近的研究仅在银河系中就多达1亿个黑洞。图片版权：ESA, retrieved via

银河系中有多少个黑洞？这个直截了当的问题被证明是极其困难的，因为黑洞很难直接探测。然而科学家们不仅已经开发出了寻找甚至称重的间接方法，我们还了解了宇宙是如何形成的，从恒星和恒星残骸，如果我们能理解在银河系历史上不同时期存在的不同恒星，我们就能准确地推断出今天银河系中有多少黑洞和质量。由于来自加州大学欧文分校的三位研究人员进行了一项全面的研究，首次准确地估计了在银河系中发现的黑洞的数量。不仅我们的星系充满了数以亿计的恒星，而且我们还拥有多达1亿个黑洞。

黑洞本身我们是看不见的，但在无线电和x射线的辐射下，它们可以让我们进入它们的位置和物理性质。图片版权：J. Wise/Georgia Institute of Technology and J. Regan/Dublin City University

当你认为早在20世纪80年代科学家们还没有确定黑洞是否存在的时候，这一切就更加引人注目了。现在我们得到的最好的证据来自x射线和无线电发射源，它们产生的引力影响超过了中子星，但却没有光学或红外线。随后开始用多波长天文学测量银河系中心恒星的运动，揭示出它们似乎绕着一个大质量轨道运行，它需要包含约400万个太阳的物质。与其他更活跃的星系的观测结果一致，我们现在相信包括我们自己在内的每一个巨大的星系都包含一个超大质量黑洞。

尽管这些是最大规模的黑洞，但它们并不是最常见的。事实上，宇宙有三种形成它们的方式，它们都起源于大质量恒星：

1、当一颗恒星超过某一临界质量时，也许是20到40倍的太阳质量，它的核心耗尽了核燃料在Ⅱ型超新星爆炸中结束生命，它的核心坍缩成一个黑洞

2、在不同的情况下一个巨大的恒星(也超过20个太阳质量)可以直接坍缩成一个黑洞，没有任何超新星信号(或吹掉它的外层)

3、当两个中子星合并或碰撞时其质量的3 - 5%就会被抛入星际介质中，其余的则形成一个黑洞

两颗中子星相撞，这是宇宙中许多最严重的元素周期表元素的主要来源。在这样的碰撞中大约3 - 5%的质量被释放抛出，剩下的就变成了一个黑洞。图片版权：Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc

因此如果我们能弄清楚星系是如何形成的，成长起来的，并在他们的历史上创造了恒星，我们就可以运行模拟告诉我们在任何大小和合并的历史上，星系中应该存在多少黑洞。这正是奥利弗·d·埃尔伯特、詹姆斯·s·布洛克和Manoj Kaplinghat最近试图做的工作。他们发现有三个问题需要知道答案才能得出黑洞的估计：

1、星系的总质量是多少?

2、银河系的总质量是多少?

3、星系的金属丰度如何？（即星系质量的百分之多少是比氢和氦重的元素？）

如果你能观察和或重建这三种属性你不仅能分辨出里面有多少个黑洞，而且还能分辨出这些黑洞的典型质量。

一个包含超大质量黑洞的小星系的x光和光学图像，其质量仅为太阳质量的几万倍。在这样一个小星系中，黑洞的数量可能比我们银河系中要少得多，但它们应该比我们星系中更有质量。图片版权：X-ray: NASA/CXC/Univ of Michigan/V.F.Baldassare, et al; Optical: SDSS; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss

他们的发现有点违反直觉，大多数较小的黑洞(大约10倍太阳质量)是在银河系大小的星系中发现的，但较大的黑洞(约50倍太阳质量)更有可能出现在矮星系中，只有我们自己的1%。根据首席作者奥利弗·埃尔伯特所说：根据对不同类型星系中恒星形成的了解，可以推断出每个星系中形成了多少个黑洞。大星系是老恒星的家园，它们也有较老的黑洞。

这一切的原因都与在里面的重元素的分数有关。

19世纪的超新星爆发了一次巨大的喷发，将许多太阳的物质从埃塔·卡林厄斯(Eta Carinae)的星际介质中喷射出来。像我们这样质量恒星以一种在更小、更低金属的星系中不存在的方式，喷射出大量的质量。图片版权：Nathan Smith (University of California, Berkeley), and NASA

当形成一个巨大的恒星时它并不一定永远是巨大的。恒星演化的物理学意味着许多恒星通过喷射事件在时间上失去质量。在它里面的元素越重，恒星失去质量的可能性就越大，因此就更有可能形成质量较低的黑洞。在银河系中有很多重元素，特别是越来越多一代的恒星。但在低质量的矮星系中，重元素要少得多，这意味着形成的黑洞可能会偏向于更重的质量。

恒星爆炸星系Henize 2 - 10，距离3000万光年远。更大的质量更高的星系比较小的星系有更多的黑洞，但较小的星系有更大质量的黑洞。图片版权：X-ray (NASA/CXC/Virginia/A.Reines et al); Radio (NRAO/AUI/NSF); Optical (NASA/STScI)

但值得注意的是这是平均的，实际上许多不同质量的黑洞应该出现在所有类型的星系中。我们最终要回答的一个大问题是这些黑洞的质量分布可能在每个星系中。

对宇宙中恒星的总体数量以及它们出生时的质量分布有了很好的了解，所以我们可以看出有多少黑洞应该由100个太阳质量或10个太阳质量组成。我们能够计算出有多少个大黑洞应该存在，最终以百万计，比预想的要多。

这些巨大黑洞的大量存在，对于解释LIGO最近发现的黑洞合并有着巨大的意义。

已知的双黑洞系统的质量包括三个验证的合并和一个来自LIGO的合并候选。图片版权：LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)

在LIGO之前并没有预料到30个太阳质量的黑洞会吸入和合并到一起，但LIGO已经告诉我们这些合并很可能是无所不在的。在最近的研究中有这么多的黑洞，将告诉我们LIGO迄今为止所看到的可能并不是特别的或不寻常的。在如此多的黑洞中只有一小部分需要在融合的轨道上解释LIGO信号，研究表明只有0.1到1%的黑洞的合并被LIGO看到。

虽然我们已经看到黑洞在宇宙中直接合并了三次，多亏了这项新研究我们可以准确地预测出不同质量分布的黑洞。图片版权：LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

天文学家的下一步将是尝试将引力波信号与光信号相互联系起来，以确定这些不同的合并和信号发生在哪个星系。在接下来的十年里如果这个事件的速度与这项新研究一致，我们应该预计会看到黑洞合并，其中一个成员的质量可能是50倍太阳质量。此外我们应该开始能够辨别这些高质量的黑洞是否更倾向于聚集在较小的星系中，就像预测的那样或者更大的星系是否占主导地位。

巨大的恒星残骸比以往任何时候都更加明亮。仅在我们的星系中就有1亿个黑洞，在宇宙中拥有数千亿个银河系大小的星系，我们的技术和科学进步在回答这些问题只是时间问题。

参考：NASA、ESA、LIGO等