如何尋找宇宙中的孤立黑洞?

是時候去尋找所有失蹤的黑洞了。

如何尋找宇宙中的孤立黑洞?

這是由一對日本天體物理學家提出的觀點,他們寫了一篇論文提議對可能存在與我們星系中的數百萬個“孤立黑洞”(IBH)進行新的探索。這些迷失在黑暗中的黑洞從星際介質中吸收著塵埃和其它漂浮在星體之間的物質。但這一吸收過程的效率很低,且大量物質會被高速排放到太空中。研究者寫道,外流與周圍環境相互作用時,應該會產生人類射電望遠鏡可以探測到的無線電波。如果天文學家可以從銀河系的其它噪音波中分離出這些波,那他們就有可能發現這些看不見的黑洞。

如何尋找宇宙中的孤立黑洞?

圖解:宇宙中的黑洞。圖源:Wiki。

“一種觀察IBH的簡單方法是透過它們發射的X射線。”研究者們在他們的論文中這樣寫道。但這篇2019年7月1號發表在arXiv上的預印本論文仍未進行正式的同行評議。[9個讓你驚訝的黑洞觀點]

這種方法的原理何在?當黑洞從太空中吸收物質時,其邊緣的物質會加速從而形成所謂的吸積盤。吸積盤中的物質往視界(黑洞中的一個不歸點)旋轉前進時,它會與自身摩擦並在此過程中發射出X射線。但與超大質量的黑洞相比,孤立黑洞很小,不會以這種方式發射出大量的X射線。它們的吸積盤中沒有足夠的物質或能量來產生巨大的X射線標識。而過去使用X射線尋找IBH的研究者們沒有得出結論性的成果。

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圖解:吸積盤。圖源:NASA。

東京大學的研究者大池村與京都大學的研究者川端康成在他們的論文中寫道,“這些外流可能使得IBH可以在其它的波長上被探測到。外流會與周圍的物質相互作用並在交界處產生強烈的無碰撞衝擊。這些衝擊會放大磁場並加速電子,而這些電子會在無線電波長上發射出同步輻射。”[9個讓你驚訝的黑洞觀點]

換句話說,穿過星際介質的外流會使電子以產生無線電波的速度運動。

荷蘭萊頓大學的天體物理學家西蒙·波特吉斯·茲瓦特表示,“這時一篇有趣的論文。”西蒙·波特吉斯·茲瓦特並沒有參與大池村與川端康成的研究,但他也在研究IBH相關問題,也稱為中等質量黑洞(IMBH)問題。

波特吉斯·茲瓦特《科學現場》雜誌,“這將是一種尋找IMBH的好方法,我認為如果使用荷蘭的低頻陣列(LOFAR),這樣的研究應該已經是可行的,但靈敏度仍然是一個問題。”

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圖解:低頻陣列。圖源:Wiki。

波特吉斯·茲瓦特解釋,IBH被認為是天文學家可以探測到的兩類黑洞之間的“缺失的一環”:恆星質量級的黑洞可能是太陽的兩倍到一百倍;超大質量黑洞則存活在星系得到中心,其大小可以達到太陽的數十萬倍。

恆星質量級黑洞偶爾可以在包含常規恆星的雙星系統中被探測到,因為雙星系統可以產生引力波,且伴星可以為大型X射線爆發提供燃料。而超大質量黑洞則有可以發射巨大能量的吸積盤,這些能量大到天文學家可以直接探測並拍攝到。

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圖解:射電望遠鏡。圖源:Wiki。

但處於這兩種型別中間的IBH則更難被探測到。天文學家懷疑太空中有少數物體可能是IBH,但這些結果並不確定。而包含2017年波特吉斯·茲瓦特為共同作者發表在《皇家天文學會月刊》的論文等一系列過往的研究表明,太空中可能隱藏著數百萬個IBH。

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圖解:SKA。圖源:Wiki。

大池村與川端康成在論文中寫道,調查IBH無線電波的最佳前景可能是使用平方公里陣列(SKA)。這是一個由南非和澳大利亞負責建造的多分部射電望遠鏡。它預計將會有一平方公里(0。39平方英里)的無線電波收集面積。研究者們預計SKA計劃於2020年進行的第一個概念驗證階段將可以探測到至少30個IBH發射的無線電波。他們寫道,後續計劃於21世紀20年代完成的完整SKA將能夠探測到多達700個IBH。

他們在論文中表示,SKA將不僅能夠觀測到IBH發射的無線電波,還能夠精確地估計出許多IBH的距離。當這一切發生時,所有隱藏的黑洞都將開始進入我們的視野。

作者:Rafi Letzter

FY:卓恩弘

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