三種黑洞挑戰人類認知,關於黑洞,還有什麼謎題?

三種黑洞挑戰人類認知,關於黑洞,還有什麼謎題?

原創

2021-11-29 19:12

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寒武紀科學館

三種黑洞挑戰人類認知,關於黑洞,還有什麼謎題?

儘管人類已經獲得了黑洞第一幅影象,並透過監測,獲得了黑洞合併時釋放的引力波。然而,黑洞還是有很多謎團,其中一個謎團就是黑洞的質量之謎。

在浩渺的宇宙中,黑洞的數量多不勝數,它的大小也應該是多種多樣。天文學家根據黑洞的質量將黑洞分為三種主要型別。

第一類是"恆星質量黑洞"

,其重量與太陽一樣的恆星質量相近。

第二類是"超大質量黑洞"

,其重量是恆星的質量數十萬到數百億倍,這些黑洞位於許多星系的中心。

第三類是"中間質量黑洞"

,它的重量介於恆星質量與超大質量黑洞之間,然而這種質量的黑洞卻在人類已觀測的宇宙寥寥無幾,這是為什麼呢?

恆星質量黑洞

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我們的太陽,NASA/SDO

恆星質量黑洞,顧名思義,就是由恆星死亡時創造的黑洞。 然而,並不是任何恆星都能形成黑洞,能形成黑洞的恆星重量大約是太陽的20倍。

恆星是由高溫氣體組成的天體,其中心發生“核聚變反應”,燃燒氫氣,形成更重的元素。這種反應產生的能量使恆星發光,並使其保持形狀,而不會被恆星自身的引力壓碎。

然而在恆星的演化過程中,鐵是核聚變反應的最後階段非常穩定的元素。 當核聚變反應停止,恆星就會被自己的重力壓碎,發生“重力衰變”。由於重力衰變,恆星氣體會從外邊緣向中心收縮,恆星的核心密度變得非常高,氣體可能會反彈並引起大爆炸。

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超新星爆炸產生的蟹狀星雲

這就是所謂的恆星終結——“超新星爆炸”。

當質量是太陽20倍以上的恆星發生超新星爆炸時,就會形成恆星質量黑洞。

如果質量低於太陽20倍的恆星發生超新星爆炸,則會成為“中子星”,而不是黑洞。

而質量低於太陽8倍的恆星,也不會引起超新星爆炸,而是當恆星的燃料消耗殆盡後,它將成為被稱為“白矮星”的天體。

也就是說我們的太陽死亡後,也不會成為黑洞,而只會變成一顆白矮星。

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白矮星

在銀河系中,科學家已經發現許多質量是太陽幾倍到十倍的恆星質量黑洞。其中許多黑洞常與另一個天體以成對的形式存在,併發射強烈的X射線。

近年來,美國引力波望遠鏡“LIGO”首次成功捕捉到黑洞合併時釋放的引力波,發現恆星質量黑洞之間的結合頻繁發生,其重量是太陽的幾十倍。

恆星質量黑洞需要超新星爆炸。 然而,超新星爆炸的機制尚未完全理解。

超新星爆炸能產生多大質量的黑洞?解開這個謎團被認為是研究恆星質量黑洞形成的重要課題之一。

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美國重力波望遠鏡LIGO

超大質量黑洞

每個星系的中央都有一顆質量超大的黑洞,是恆星的數十萬到數百億倍。例如銀河系中心的天體“Sgr A+”,以及橢圓星系M87的中心黑洞。

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銀河系中心,有一個巨大的黑洞

EHT的觀測結果顯示,M87的黑洞影象中,陰影中心有一個黑洞,質量大約是太陽的60億倍。

星系的形成與發展和它中心的超大質量黑洞被認為是以某種方式共同進化。

那麼,這些超大質量黑洞是如何形成的呢?

一般認為,巨大的黑洞增加其質量需要不斷地汲取黑洞周圍的物質,而星系的中心部分,物質的含量相對稠密,利於超大質量黑洞的形成;或者當星系相互碰撞時,存在於星系中心的黑洞相互結合成更大的黑洞。

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宇宙誕生大約7億年後,誕生的黑洞想象圖,質量大約是太陽的20億倍。NOIRLab/NSF/AURA/J。 da Silva

然而,最近的觀測表明,在138億年的宇宙歷史中,宇宙誕生約7億年後,已經存在一個超大質量黑洞,其質量是太陽的20億倍。

在以前設想的場景中,宇宙的第一代恆星在宇宙誕生幾億年後首次出現,當超新星爆炸後可以形成恆星質量黑洞,被認為是種子黑洞。

然而,即使第一代恆星比太陽重近100倍,並且在短短1000萬年左右就產生超新星爆炸,它也不能在宇宙誕生後的7億年間就從種子黑洞成長為重約20億倍的超大質量黑洞。

到目前為止,科學家的設想和觀測之間出現巨大的矛盾。

宇宙誕生不久後,是否有一種機制可以產生質量比我們想象的更大黑洞? 或者是有一個機制可以更有效地增加黑洞質量?先有星系中心的超大質量黑洞還是星系?都是一個個有待解決的重大科學問題。

中間質量黑洞

恆星質量黑洞的質量是太陽的幾十倍,星系中心黑洞的質量是太陽的幾十萬億倍,那麼中間質量的黑洞又有哪些奧秘呢?

事實上,科學家對中間質量黑洞知之甚少。 在觀察中很少發現這種情況,而且首先討論了是否存在這種存在。

傳統的理論認為,恆星坍縮時是不會產生質量在65到135個太陽質量之間的黑洞。當恆星核心的質量大於65個太陽質量時,垂死的恆星核心非常緻密時,其中心變得如此熾熱,以至於它們開始將光子轉換成成對的粒子和反粒子,這種現象就被稱為對不穩定性。如此一來,恆星中心核燃燒以一種失控的方式加速,其結果就是恆星在爆炸後沒有留下任何黑洞的遺蹟。

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2019年5月21日,GW190521事件想象圖

在2019年5月21日, 地球接收到70億光年處的兩個黑洞合併發出的撼動全宇宙的引力波, 雖然這可能只是宇宙時空中稀鬆平常的一件事,雖然在地球天文臺監測裝置持續不到不到十分之一秒,但它包含的有關合並的黑洞的資訊,卻震撼了整個天體物理學界。

經過計算,參與合併的兩個黑洞的質量分別是太陽質量的66和85倍,由此產生的黑洞有142個太陽質量,在此之前人類物理學認為不可能出現這樣中質量的黑洞。

三種黑洞挑戰人類認知,關於黑洞,還有什麼謎題?

那麼這種情況下,中間質量的黑洞是怎麼誕生的呢? 目前可能有兩種情況。

一種情況是,正如重力波觀測到的那樣,小黑洞之間發生碰撞合併或吸收周圍氣體時成長為中質量黑洞。

另一種情況是,一顆恆星的重力衰變,就像恆星質量黑洞一樣誕生中質量的黑洞。

但是要透過重力衰變產生中質量黑洞,恆星的重量需的是太陽的10000倍左右。 然而,宇宙中這樣的恆星幾乎不存在。

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黑洞從周圍的天體中吸取氣體的影象,NASA/CXC/M。Weiss

這些重恆星最容易被創造的環境中是宇宙大爆炸發生後不久的早期宇宙。

在宇宙早期,宇宙中只有非常輕的元素:氫、氦和少量的鋰。 由於僅含有氫和氦的原始氣體雲不能發生湮滅和冷卻,而恆星需要大量氣體雲才能產生。 因此,科學家推測在宇宙的早期,可能有許多重恆星。

然而,到目前為止,還沒有真正觀察到這些重恆星。因此,在宇宙誕生後不久,恆星的重量是否超過太陽的10,000倍,這仍然被認為是一個謎,所以由重恆星坍縮創造中質量恆星的說法無從談起。

宇宙中的黑洞多種多樣,還有很多未知是我們人類無法解讀的。

但是對於過去,人類總有一種天生的好奇和敬畏,對於未來,人類尚且還有很多未知等待探索,宇宙浩瀚而神秘,為什麼不仰望夜空呢?

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