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黑洞缺失的一环被发现! 又是哈勃立功, 可是新的谜题又来了

1916年,德国天文学家史瓦西通过爱因斯坦的引力场方程,计算出了一个真空解。这个解如此离奇,以至于未来一百年的时间,人类都在为这个解而着迷。

这个解,就是黑洞。

黑洞的分类

我们已经知道,黑洞拥有着绝对的引力。任何进入视界范围的物质,都永远不可能再离开黑洞。无论吸收多少物质,黑洞都能把它们完全压缩到一个一维的点内,这个点就是奇点。也就是说,无论吸收多少物质,黑洞的奇点不会变,只有视界范围会改变。因此,用直径来形容黑洞,无法探究到它的本质。唯有质量,才能从根本上描述黑洞。

可就是在利用质量来描述黑洞时,科学家发现了问题。

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通常来说,我们认为黑洞来自于大质量恒星的死亡。在发生超新星爆发后,内核坍缩,变成了黑洞。这种黑洞,我们叫做恒星级黑洞。

目前我们发现的最大质量恒星是R136a1,质量大约是太阳的256 ~ 315倍之间。而它的内核,也只占了一部分。因此,按照恒星死亡产生黑洞的理论来说,其质量超过太阳3倍是没问题的(这是黑洞的质量下限),不过最大也只有太阳质量的几十倍。

可是,当我们把望远镜对准宇宙的时候,却发现了奇怪的现象。恒星级黑洞确实存在,符合了理论。但是宇宙中还有大量的超大质量黑洞。它们的质量动辄是太阳的几百万倍,甚至最大的已经有太阳质量的660亿倍!

黑洞缺失的一环

更诡异的是,在恒星级黑洞和超大质量黑洞之间,竟然有一个巨大的断档,就像进化论缺失的一环。我们发现了大量的恒星级黑洞,也记录了许多超大质量黑洞,但是却几乎从未发现过质量在太阳100倍到100万倍之间的黑洞!

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我经常用下面这个比喻来形容这件事的诡异之处:这就类似于你走在大街上,发现街上要么是体重不到100斤的人,其余的全都是300斤以上的大胖子,完全找不到100-300斤之间的人。

见了鬼了。

你说,300斤的胖子是哪来的呢?总不能duang一下就出来吧?按照我们的理解,他们总该是从100斤养到300斤的。怎么,一顿饭吃200斤,瞬间养成?显然不可能。所以,只要是养起来的,那总该有个过渡期啊。

同样的道理,超大质量黑洞到底是怎么来的呢?它们到底是不是恒星级黑洞成长起来的呢?如果是,那二者之间的中等质量黑洞去哪了呢?有人说,超大质量黑洞可能不是恒星级黑洞长成的。可是,这也不能说明中等质量黑洞不存在的原因,因为这不妨碍恒星级黑洞的继续成长。只要继续成长,总有一天会变成中等质量黑洞。

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因此,找这些“200斤的胖子”,就成了科学家们的重点工作之一。他们把望远镜对准了宇宙,在茫茫宇宙中,像大海捞针一样,寻找中等质量黑洞。

中等质量黑洞发现史

2006年,研究人员在观测宇宙时,发现了一个诡异的X射线源——3XMM J215022.4-055108。这个X射线源的能量太高,超出了普通黑洞的能力,所以显然不是恒星级黑洞。而从位置上看,它们又并不是像通常的超大质量黑洞一样处于星系的核心。

对于这个发现,科学家非常兴奋,他们认为这很有可能是人们一直在寻找的目标——传说中的中等质量黑洞。于是,他们把最先进的望远镜对准了它。

一个不行,就两个一起找,两个不够,就三个一起上。

于是就有了世界上最牛的三台望远镜的强强联合,构成了人类太空望远镜的“三叉戟”。这三台望远镜分别是著名的哈勃太空望远镜、钱德拉X射线望远镜,以及XMM-牛顿卫星。很多人不太了解最后一个望远镜,前不久我们刚刚发布过XMM-牛顿卫星拍摄到黑洞IRAS 13224–3809的动图,也就是下面这张:

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那么,三台望远镜是怎么合作的呢?

太空“三叉戟”

首先,科学家利用哈勃太空望远镜精确定位了它的位置,确定了它并不是位于银河系内,而是在一个遥远河外星系的恒星团内——这正是科学家认为中等质量黑洞最有可能出现的地方。

接下来的工作,就要交给钱德拉和XMM-牛顿了。为什么呢?我们说过,哈勃太空望远镜的最大短板,就是只能观测可见,而黑洞可以吸收掉附近的一切可见光,所以至此,就不是哈勃的工作了。而物质在被黑洞吞噬的时候,会释放出X射线。正所谓卤水点豆腐,一物降一物,钱德拉和XMM-牛顿都是X射线望远镜,通过捕获这些X射线,就可以对它进行深入研究。

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巧的是,它的周围恰好又有一颗恒星,成为了它新的猎物。恒星的物质在它强大的引力下,像瀑布的落水一样落入黑洞的视界范围内,释放出强大的X射线。就像利用落水的抛物线可以计算重力等数据一样,恒星物质落入黑洞的数据让科学家可以很好地推测黑洞的质量。

结果显示,3XMM J215022.4-055108 的质量大约是太阳的50000倍——一颗完美的中等质量黑洞!黑洞缺失的一环,终于被填上了!

其他中等质量黑洞

实际上,这并不是人类发现的第一个中等质量黑洞。

早在2003年的时候,XMM-牛顿卫星就发现了一个X射线源——NGC 1313 X-1。当时科学家推测,它是一个质量为太阳质量5000±1000倍的中等质量黑洞。不过,直到现在,他们还没确定它的真实身份。

2009年,研究人员在约2.9亿光年以外的ESO 243-49星系边缘附近观测到了另一个X射线源——HLX-1。同样的,科学家也推测它是一颗中等质量黑洞,质量在太阳的500-20000倍之间。

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不过,相对比较可靠的中等质量黑洞的发现,是去年年初的时候。

日本国立天文台的天文学家竹川俊也在银河系的中心,发现了极有可能是中等质量黑洞的天体。这是一团诡异的气体云,距离银河系中心的超大质量黑洞——人马座A*仅有20光年。这团气体云的运动方式非常诡异,像是在围绕什么在运动。根据它的运动规律,可以推测其围绕的天体质量超过太阳的30000倍。这么小的范围内有这么大的质量,恐怕也只有黑洞能够做到,如果这个推测不错,那它的质量显然就是中等质量黑洞。

未来的研究

而我们今天说的这一次,可靠性远超过前面三次,基本可以确定它的身份。

负责这次研究的科学家——美国新罕布什尔大学的林大成(Dacheng Lin,音译)表示,以往推测黑洞的质量,都是通过黑洞的光度来粗略估算,所以误差可能会比较大——可以看到,前两次对质量的推测,误差范围大得一逼。而这一次的方法相对比较直接,因此数据也更精确一些。

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更重要的是,这次发现为科学家打开了一扇大门,让本来难以寻找的中等质量黑洞更容易被发现。只有发现得更多,我们才能对它有更多的了解,才能更好地了解黑洞的演化。

毕竟,即使中等质量黑洞已经被发现,我们仍然没有完全确定超大质量黑洞是怎么形成的。它们到底是通过恒星级黑洞成长而来的,还是有独特的出生方式,仍然悬而未决。

就像先贤说的一样,知识越丰富,不会让我们觉得自己越睿智,反而会让我们越感到自己的无知。随着黑洞的秘密越来越多被发现,几乎可以确定越来越多的新的谜题会呈现在我们面前。人类对于黑洞探索的终点到底在哪,谁也不知道……

茫茫人海,相遇不易,如果你对科学感兴趣,请关注我,我们不要走散,好吗?

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