神秘的超大質量黑洞

宇宙中存在著一些巨大的黑洞,有些甚至比太陽還大數十億倍,但是人類對這些巨型黑洞的形成和演化幾乎一無所知。不過,最新的望遠鏡和太空技術或許能為我們提供一條研究這些龐然巨物的新途徑。

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神秘的超大質量黑洞

來源:bbc

作者:Patchen Barss

翻譯:葉子

在海豚座與天馬座正中間,有一架「風車」正在緩緩地轉動。數十億年來,UCG 11700星系的旋臂一直在平靜地旋轉,不曾與其它星系相撞或合並,因此沒有像許多星系那樣發生變形。然而,盡管這個星系看上去賞心悅目,它的正中卻蟄伏著一頭猛獸——那里有一個超大質量黑洞,宇宙中最神秘的天體之一。

一般的黑洞質量約為太陽的四倍,但超大質量黑洞則可能達到太陽的成百上千萬倍、乃至數億倍之多。科學家相信,幾乎每個大型星系中央都有一個超大質量黑洞,只是無人知曉它們究竟是如何形成的。

在這方面,UCG 11700或許能助我們一臂之力,這個美麗至極的星系將幫助我們破解超大質量黑洞的成長之謎。

神秘的超大質量黑洞

超大質量黑洞雖名為「黑」洞,但它們其實十分明亮。

神秘的超大質量黑洞

黑洞的密度極大,連光線都無法從中逃脫,因此研究起來尤為困難。但一些新技術可以幫助我們分析超大質量黑洞對周圍星際天體造成的影響、甚至是它們產生的時空漣漪,為我們提供新的線索。

我們對傳統黑洞的形成和生長機制已經了解得很充分了。恆星耗盡燃料後死亡,發生超新星爆炸,然後向內坍縮,密度也隨之變得極大、連光線都無法逃脫。愛因斯坦在廣義相對論中預言了黑洞的存在,至今已過去了將近一個世紀。

在通俗文化中,黑洞往往被描述為極其黑暗、極其飢渴的形象;它們會在宇宙中快速移動,將沿途的一切都盡數吞噬,不斷長得越來越大、越來越貪婪。因此人們難免會認為,超大質量黑洞不過是最飢渴、最古老的一類黑洞而已,就這麼簡單。

但在現實中,黑洞其實有些名不符實。它們吸食周圍物質的效率其實低得驚人,即使在物質密集的星系中央也是如此。事實上,坍縮後的恆星生長得十分緩慢,根本不可能通過吸收新物質增長到超大質量黑洞。

假設第一批恆星是宇宙大爆炸之後2億年左右形成的,它們坍縮之後,還有135億年時間成長到太陽質量的50億倍。如果只靠吸食物質,這段成長的時間也太短暫了。

更令人不解的是,超大質量黑洞早在宇宙的「嬰兒期」就已經存在了。遙遠的類星體是夜空中最明亮的天體之一,它們其實就是被古老的超大質量黑洞點亮的瀕死星系核。這些巨型黑洞至少在宇宙僅有6.7億年時就已存在於世了,已知最古老的星系也是在這一時期形成的。

雖然黑洞的核心對外界觀察者而言將永遠是個謎,但超大質量黑洞的光芒其實比整個星系的恆星加起來還要耀眼,並且在吞食周邊物質時,它們還可能「打嗝」,釋放出紫外線輻射。

黑洞的球形邊界名叫「事件視界」。在這個球體之內,任何光線、能量和物質都無法逃脫。空間與時間在其中層層折疊,常用的物理法則在這里也不起作用。但黑洞在轉動時,還會將事件視界周圍的物質連帶著一同旋轉,成為一個飛速轉動、溫度極高的圓盤。類星體中吸積盤的溫度可超過1千萬攝氏度,釋放出極其明亮的電磁輻射。

黑洞是宇宙中最有效、最高效的引擎,它們將質量轉化為能量的效率高達40%。相比之下,化石燃料的燃燒、甚至恆星的能量利用率都只有黑洞的零頭而已。

超大質量黑洞吸引科學家的不僅是它們的超高能量效率。它們的形成與演化顯然與星系的發育過程密切相關,甚至關乎整個宇宙的歷史和結構。如果能解開這些宇宙巨物之謎,科學家對宇宙的了解也將向前邁進一大步。

神秘的超大質量黑洞

Virgo等天文台可以探測到黑洞產生的時空漣漪。

窺探黑洞

能量釋放只是黑洞「泄露」自身秘密的眾多方式之一。黑洞與其它密度稍低一些的天體(如中子星)合並或相撞時會形成時空漣漪,即我們所說的引力波。引力波以光速在宇宙中傳播,2015年首次在地球上被探測到。自此之後,位於美國的LIGO和義大利的Virgo天文台捕捉到了好幾次由這類相撞事件創造的時空漣漪。

不過,雖然這兩座天文台的探測儀器長達數公里,卻也只能探測到較小型黑洞產生的引力波。

在LIGO探測到的合並事件中,黑洞質量最多隻有太陽的150倍,目前,所謂中等質量黑洞(即質量約為太陽1萬倍的黑洞)的相關數據還較為欠缺。而這類黑洞其實有可能成為孕育超大質量黑洞的種子。

中等質量黑洞可能是早期宇宙中的巨型氣體雲或恆星相互碰撞時形成的。在早期宇宙沖突頻發的環境中,這些中等質量黑洞還可能繼續與彼此相撞,同時快速吸收周邊物質,從而迅速增長到了超大質量規模。

不過,這套中等質量黑洞理論也存在一定問題。早期宇宙又小又熾熱,氣體雲一直沐浴在充足的輻射中,按理說能量應該十分充足,不至於發生坍縮。並且即使在稠密的早期宇宙中,黑洞吸收物質的速度也同樣會受到物理法則的限制。

目前每一種對超大質量黑洞的解釋都存在「瓶頸和缺陷」,因此暫無定論。

這些理論都提及了我們所謂的「動態過程」,即一個黑洞可能由多顆恆星形成、而不僅僅是一顆恆星,但這些過程只有在限定條件下才能發生,此外還有「原始黑洞」理論,認為部分黑洞也許早在恆星出現前便已經存在了。不過這還完全是一片未知領域,沒有任何觀測結果作為佐證。

但按照動態過程理論,黑洞質量很難超過太陽的1000倍。當宇宙年齡僅有10億年時,類星體的質量就已經高達太陽的10億倍了。如此龐大的數字是很難達到的。超大質量黑洞形成的真相還尚待揭開,我們向下挖掘得越深,發現的問題就越多。我們一定是漏了什麼關鍵之處。

神秘的超大質量黑洞

雖然宇宙在不斷膨脹,但星系相撞其實頗為常見。

彌補空缺的最新一代的觀測器

好在最新一代的觀測儀器已經開始彌補這方面的空缺了。Virgo、LIGO等天文台正在為我們提供越來越詳細的「人口統計學信息」,包括黑洞的「體型」、年齡和位置等等。

但要想獲得超大質量黑洞的數據,研究人員還要藉助規模更大的探測器才行。

2030年起,NASA和歐空局將聯合發射雷射干涉儀太空天線探測器(簡稱LISA)。該探測器由三枚衛星組成,呈三角狀分布,每邊長250萬公里。該衛星陣列的工作原理與LIGO和Virgo類似,但規模更龐大,因此可以探測到超大質量黑洞發出的引力波,這是現有技術所無法企及的。

已有線索顯示,地球正在受到超大質量黑洞產生的引力波的沖刷。2021年初,天文學家宣布在45顆脈沖星發出的輻射中發現了一些微小的偏差。雖然結果尚待確認,但研究人員認為,這些偏差可能是由超大質量黑洞產生的「引力波背景」造成的。

但還有一些更直接的方法可以幫助我們看到黑洞。事件視界望遠鏡最近首次拍到了黑洞的照片,脫下了這類天體的神秘外衣,進一步揭露了黑洞的性質、以及黑洞的引力和磁性對所在星系的影響。天體物理學家還可以對星系核心黑洞附近恆星的運動軌跡進行追蹤,藉此推斷出這些巨型天體的相關信息。

這類觀測活動大多由地面望遠鏡開展,它們都使用了所謂的「自適應光學」技術。觀察者通過分析明亮的恆星(或人造雷射束)來衡量影響圖像質量的大氣畸變。計算機控制信號再對望遠鏡鏡片的形狀進行微調,從而修正這些畸變。這樣一來,我們不僅可以精確地觀測到數十億光年之外的星系核心,還能獲得大量超大質量黑洞的相關數據。

神秘的超大質量黑洞

宇宙的年齡還不夠大,不足以讓黑洞僅憑吸食周邊物質成長為超大質量黑洞。

最後一個秒差距問題

很難想像,從地球上觀測的解析度竟然能超過哈勃太空望遠鏡。星系質量與黑洞質量之間有著緊密的相關性:星系質量越大,中央超大質量黑洞的質量就越大。這些天體成長的步調有時十分一致。

雖然存在這種相關性,但並沒有明確的證據證明,大型星系一定會生成大型黑洞,反之亦然。兩者之間的確存在關聯,但這種關聯的本質仍然是個謎。

有一種解釋認為,這可能與星系相撞有關。可觀測宇宙范圍內大約有2萬億個星系,其中大多數都在加速遠離彼此,但星系仍有可能相撞,其中央的大型黑洞也會隨之合並成一個更大的黑洞。有些科學家認為,那些大得可怕的超大質量黑洞也許就是這樣形成的。

當相對較小的黑洞相撞時,會在短短一瞬間釋放出巨大能量,發出的光芒耀眼到太空中的一切都顯得黯然失色。而如果兩個超大質量黑洞相撞,絕對是宇宙中最災難性的事件之一。

不過,雖然科學家懷疑超大質量黑洞之間也會合並,但由於黑洞動力學方面的一個問題,這種情況發生的機率也許很低。

隨著兩個即將相撞的黑洞越靠越近,它們會圍繞彼此旋轉得越來越快。但當大型黑洞之間的距離達到一個秒差距(3.26光年)時,其軌道速度便會將引力抵消掉,導致它們接近彼此的速度大大降低,就宇宙目前的年齡來看,根本等不到真正合並的那一天。

盡管如此,物理學家還是相信這類合並事件的確會發生,只是需要一套新理論來解決所謂的「最後一個秒差距問題」。也許有其它某種力量或能量,可以將兩個圍繞彼此旋轉的黑洞拉攏到一起。

宇宙中到處都是通過合並形成的星系,我們的銀河系就是其中之一,說明的確會發生這種事件。當星系相撞時,兩個星系中的恆星、氣體雲、暗物質和黑洞都會發生相互作用,致使原本的螺旋結構遭到破壞。即使兩個星系只是擦肩而過,也會對雙方的結構造成影響,因此很容易被我們發現。

但這也意味著,像UCG 11700這樣的星系中央的超大質量黑洞無法通過星系相撞來解釋,因為該星系的形狀太過完美,說明它從未與其它星系近距離接觸過。

只有極少數的星系自誕生以來便一直「孑然一身」、從未接觸過其它星系,可以確定的是,這些星系中央的黑洞絕不是通過與其它黑洞合並形成的。

這說明,它們一定有著另一種形成途徑。

天文學家採用了倒推法,想弄清這些黑洞開始時需要有多大、才能增長到如今的大小。模型顯示,形成於宇宙初期、質量介於太陽1千至10萬倍之間的黑洞機會最大。這一范圍正好與「黑洞種子論」相符。不過,這個尺寸的黑洞不太可能通過恆星坍縮形成。

還有一種理論認為,超大質量黑洞可能由暗物質直接形成,天體物理學家正在探索這種可能性。暗物質是一類理論上存在的粒子,雖然可以與引力發生相互作用,但對於光線和電磁波則完全隱形,我們對它的了解也少得可憐。如果將黑洞和暗物質這兩大謎團結合在一起,只會進一步增加挑戰性。

我們不知道的還有很多,如果直接得出結論,稱黑洞都是由超新星爆發形成的,那未免太傲慢了。也許真正的解釋我們還根本沒有想到過呢。人類期待著宇宙有朝一日給我們一個驚喜,對於整個科學界,那都將是重要的一天。

接下來,更先進的觀測儀器即將登場。NASA計劃於今年秋天發射詹姆斯·韋伯太空望遠鏡,其規模和探測能力都達到了空前的水平,必定會成為研究超大質量黑洞的寶貴工具。不僅如此,LISA天線發射升空後,也將為科學家提供憑借引力波觀測超大質量黑洞的新途徑。

其他科學家則在著手繪制包含成百上千萬個星系的位置、運動、形狀、大小等信息的詳細分布圖,也將為觀測人員和理論學家提供重要助力。

該領域的工作節奏著實驚人,我們對黑洞的研究僅開展了一百年左右,但與宇宙140億年的歷史相比,根本不足以揭開所有謎團。每次拋出一個問題,都能得出至少五個答案。

在過去的一個世紀里,我們取得了一系列技術發展,使得這些發現成為了可能,我們還有許多已知問題想要解決,但也想了解一些連想都不曾想過的新事物。這真的很棒,黑洞也許會給我們一個巨大的驚喜,遠超所有人的意料之外。

來源:cnBeta