背景阅读——超沉默黑洞
超级黑洞(Supermassive black hole)是一种黑洞,其质量是十万至十万亿倍的太阳质量。宇宙中最大黑洞是距离地球35亿光年,形成于OJ287类星体的中心位置。
科学家相信,在所有的星系的银心,包括银河系在内,都会有超大质量黑洞。所有超级黑洞是在距今100多亿年前的宇宙初期与星系同时形成的。它“吞噬”周围的大量物质,才能达到如此巨大的质量
超大质量黑洞的形成有几个方法。最明显的是以缓慢的吸积(由恒星的大小开始)来形成。另一个方法涉及气云坍缩成数十万太阳质量以上的相对论星体。该星体会因其核心产生正负电子对所造成的径向扰动而开始出现不稳定状态,并会直接在没有形成超新星的情况下萎缩成黑洞。第三个方法涉及了正在核坍缩的高密度星团,它那负热容会促使核心的分散速度成为相对论速度。最后是在大爆炸的瞬间从外压制造太初黑洞。超大质量黑洞平均密度可以很低,甚至比空气密度还要低。
这是因为史瓦西半径与其质量成正比,而密度则与体积成反比。由于球体(如非旋转黑洞的事件视界)体积是与半径立方成正比,而质量差不多以直线增长,体积增长率则会更大。故此,密度会随黑洞半径增长而减少。在黑洞的中心,是物理学中最为神秘的物质之一——奇点,也就是时间、空间和一切已知的物理学法则土崩瓦解的所在点。
而近日,欧洲南方天文台科学家认为位于南方星系船帆座的NGC 3201星团里存在一个带有不活跃星群的黑洞,其质量是太阳的4倍。经过进一步检测后他们竟然意外找到了个不会吞噬物质、正处于休眠期的黑洞!这也是科学家首次单纯透过引力测量而发现的最沉默黑洞,其质量约太阳质量的 4.36 倍,所处星团距离我们约 1.6 万光年。
天文学家小组在观察NGC 3201星团的一颗星星时发现了这个黑洞,他们从位于智利阿塔卡马沙漠的南方天文台的VLT望远镜中观察这颗星星,发现它的活动方式非常奇怪。这颗星星以每小时数十万公里的速度前后移动,这个周期每隔167天重复一次,这种行为只能解释为它在围绕一个黑洞运行。
吉泽斯指出说,它在围绕一个完全看不见的、其质量是太阳质量4倍多的物体运行,这个物体只能是黑洞
球状星团“NGC 3201”位于银河系船帆座(Vela)中,距离我们约 1.63 万光年(银河系直径介于 10 万~18 万光年),科学家认为其年龄已超过 100 亿岁(太阳系年龄 45 亿岁),几乎和银河系同时诞生,整个星团质量估计约为太阳系的 25.4 万倍。
它的恒星向中心的凝聚度非常低
船帆座星云于1752年,被天文学家尼古拉斯·路易·德·拉卡耶(Nicolas Louis de Lacaille)首次发现,如果你对这个星云仔细的观察,你会发现很多奇妙的事物,例如突然之间的闪光,恒星的新生、死亡、融合都可以在这里看清楚。
如果说星云是宇宙中恒星的托儿所,那么球状星团就是恒星的养老院,星云教我们了解年轻气盛的恒星,那么球状星团就可以告诉我们恒星是如何演化和老去的。
球状星团“NGC 3201”的外观。
我们知道连光都无法逃脱黑洞巨大的引力,黑洞本身是无法直接观测的,但可借由间接方式得知其存在与质量,比如物体被吸入前因高热而放出的“边缘讯息”紫外线、X 射线辐射等,以及周遭恒星或星际云气团的轨迹,就能知道那里是否有黑洞存在。
但,若是一个休眠中、不吞也不吐的黑洞该怎么发现?当黑洞不与物质相互作用、不会积聚质量或发出辐射时,它就真的安静沉默地和宇宙融为一体,只能透过其他方式观测,比如测量它对其他恒星的引力影响。
就在不久前科学界还认为,球状星团中的几乎所有黑洞都会在短时间内消失,像黑洞这样的系统不应该存在,但是现在情况显然并非如此。
引力效应
这次发现属于首次在球状星团中直接探测到黑洞的引力效应,有助于理解球状星团的形成以及黑洞和二元系统的演变,它们是了解引力波来源的重要因素。
虽然研究人员承认还有另一个可能性,这颗行为异常的恒星也有可能只是个布偶娃娃,处在一个包含两颗特大、紧密结合的中子星的三星系统中,但迄今为止我们都还没看过这种系统,所以黑洞的可能性更大。
如果观测结果证实无误,那这将是第一个于不活跃休眠期被科学家发现的黑洞,也是第一个从球状星团中发现的黑洞,将有助于理解球状星团的形成、黑洞二元系统的演变,对于重力波源的理解更是至关重要。
注:球状星团是外观呈球形、在轨道上绕着星系核心运行的恒星集团,通常含有数十万颗低金属的老年恒星。目前银河系内估计有超过150个球状星团。
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