銀河系12個超大流浪黑洞,正在伺機吞噬我們,科學家怎麼發現的

寂靜的宇宙中毫無生機,但卻充滿危險。有致命的宇宙射線,失去太陽的行星,還有吞噬一切的黑洞。由於與別的天體相比,黑洞的引力很大,十分特殊。使得在視界內,連光都無法逃逸。因此直到2019年,人類才得到了第一張黑洞照片。不過科學家還是有辦法直接或間接地觀察黑洞。

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上圖:人類第一張黑洞圖片

黑洞以星際氣體或恆星為食,而這些物質在被黑洞吸進去的過程中,會因引力勢能的降低激發出巨大的能量,射出各種高能射線尤其是X光。因此,如此明亮的特徵,會讓它更容易被外界直接觀測到。

除此之外,黑洞巨大的質量還會形成引力透鏡效應——即黑洞背後的天體發射出的光線方向會因其巨大的引力產生畸變。藉此,我們也能間接觀測到黑洞的存在。

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上圖:引力透鏡效應

而在所有發現的黑洞中,質量最大,危險程度最高的那一類,則被我們稱為超大質量黑洞,它們幾乎存在於每個星系的核中。這些天體的質量通常與它們周圍中央星系凸起的質量大致成正比,這表明黑洞及其星系的演化以某種方式聯絡在一起。

但超大質量黑洞的形成途徑尚不清楚。我們知道恆星質量的黑洞是由大質量恆星的核心坍縮形成的,但這種機制並不適用於質量超過太陽質量 55 倍的黑洞。尤其是星系中心的超大質量黑洞,它們的質量往往是太陽質量的數百萬到數十億倍。

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上圖:超大質量黑洞概念圖

首先要知道,黑洞產生於恆星生命的盡頭,其中包括太陽在內的低質量恆星最終會變成被稱為“白矮星”微光恆星;質量超過太陽質量 8 倍的恆星會變成密度非常大的小天體,稱為中子星;真正質量超過 20 個太陽質量的恆星在誕生時會變成黑洞,最終質量在幾個太陽質量到 40 個太陽質量之間。

但質量在 130 到 250 太陽質量之間的恆星,它們的中心在演化後期變得非常熱,可達到大約 10 億開氏度。這使得在這些恆星內部不斷反彈,並提供大部分壓力支援的光子是如此充滿活力,以至於它可以轉化為成對的負電子和正電子,這反過來又使恆星變得不穩定。

因壓力的突然下降,恆星的中心開始收縮並升溫,失控的核聚變導致整顆恆星爆炸成明亮的“雙不穩定”超新星,並在爆炸後不會留下任何殘餘物。

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上圖:超新星爆炸

因此科學家認為,超大質量黑洞是透過恆星、氣體和塵埃的吸積以及與其他黑洞合併而生長的(發生於兩個星系碰撞時)。2019年5月21日,科學家也確實在距離地球128億光年外,觀察到了黑洞合併事件——GW190521 事件。

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上圖:合併中的黑洞

GW190521 較重的一個,測量到 71 到 106 個太陽質量。經測算,合併後的最終質量是太陽的 142 倍。

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但在宇宙的時間尺度上,兩個星系的碰撞過程需要很長時間。這使得合併過程很容易被打亂,延遲甚至完全停止,從而導致這些黑洞脫離了自己的星系,成為宇宙中的“流浪者”。

為了知道如今有多少黑洞徘徊在我們周圍,

由哈佛和史密森尼天體物理中心的 Angelo Ricarte 領導的一組天文學家使用 ROMULUS 宇宙學模擬,計算了這個數字。該模擬能跟蹤成對超大質量黑洞的軌道演化,這意味著科學家能夠預測哪些黑洞有可能到達它們新銀河系的中心,以及這個過程需要多長時間。

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結果,他們發現銀河系可能擁有 12 個超大質量黑洞,正在遠離銀河系中心的光暈中游蕩,甚至已經遊蕩了超過 10 億年。不過畢竟我們自己的銀河系,以吃一些較小的鄰居而聞名,因此也不難理解。而且在宇宙早期,發生的星系碰撞事件更加頻繁。研究小組估計,在大爆炸後大約 20 億年中,流浪黑洞的數量和亮度都超過了星系核中的超大質量黑洞。

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延伸閱讀

強如黑洞,最終結局卻只有毀滅

1974年,霍金曾做出預言,黑洞最終會縮小,甚至爆炸,噴射出物體併發出耀眼的光芒。這是他結合了廣義相對論和量子理論,發現的結果,被稱為霍金輻射。

即黑洞表面附近產生的虛粒子對,其中反粒子被吸入黑洞,而另一個就以霍金輻射的形式逃逸出來。由於能量不能憑空創生,我們設反粒子攜帶負能量,正粒子攜帶正能量。也就意味著這些攜帶著從黑洞裡來的正能量的粒子逃逸了,即黑洞的總能量少了。

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因質能轉換,黑洞的質量會越來越小,隨之其溫度會越來越高。這樣,當黑洞損失質量時,它的溫度和發射率增加,因而它的質量損失得更快。這種“霍金輻射”對大多數黑洞來說可以忽略不計,因為大黑洞輻射的比較慢,而小黑洞則以極高的速度輻射能量,直到黑洞的爆炸。

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