宇宙時空 宇宙最大黑洞的神秘起源

宇宙最大黑洞的神秘起源

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【新三才首發】這個黑洞是已知宇宙中最大的黑洞,質量比我們的太陽大幾十億倍,但人們對這些巨物是如何形成以及如何變得如此之大卻知之甚少。新的望遠鏡和技術為我們提供了一種觀測這些巨物的新途徑。

在海豚星座的腹部和飛馬星座的後蹄之間,有一個編號UCG 11700的原始星系,數十億年來它的絮狀旋臂一直在穩定的旋轉,不曾受到其他星系彼此之間碰撞、合併或形變的干擾。這個星系雖然非常壯觀,形狀有如宇宙中一個美麗的煙火環。但是它的中間卻潛伏著一個非常可怕的超大質量黑洞,是宇宙中最神秘的物體之一。

雖然形成一個黑洞的標準起始質量大約是太陽質量的四倍,但有數不盡的黑洞其質量是太陽質量的幾百萬倍甚至數十億倍。

科學家認為幾乎每個大星系的中心都有一個超大質量黑洞,只是沒有人知道他們是如何在那裏形成的。而這就是Galaxy UCG 11700也許可以用來解釋這個謎題的黑洞,它能夠幫助人類解開這些黑洞是如何長大的。

牛津大學研究超大質量黑洞的初級研究員史美瑟思特說,在他研究中的理想星系是你所能想到的最美麗、有完美螺旋臂的星系。最漂亮的星系是那種可以幫助我們解開這些黑洞如何變大之謎的星系。

盡管名為黑洞,超大質量黑洞會讓星系的中心發出異常明亮的光芒(圖片來源:NASA/JPL-Caltech)

由於黑洞本質上密度非常大,以至於連光線都無法從其本身逸出,因此要了解它變得很困難。但是目前的新技術可以提供一些新的線索。新技術是藉由尋找超大質量黑洞對其周圍星體產生的影響,或是黑洞在時空結構中所造成的波動來研究。

黑洞是如何形成以及如何變大,這在目前已經有相當的了解。一顆將要滅盡的恆星耗盡燃料後,會爆炸成為超新星,然後坍陷,形成密度很高的星體,以至於連光線也無法逃脫它的強烈引力,這樣就形成了黑洞。黑洞的概念在一個世紀前就已經被提出,而且愛因斯坦的廣義相對論也對此做了預測。

一般認知,黑洞是一個完全黑暗且吸力無窮大的星體。在其週邊的一切物體都會被它吸走,因此會不斷的變大,吸力也越來越強。而超大質量的黑洞就是吸力最強且最古老的黑洞。

但實際上黑洞並沒有這麼厲害,即使它身處星系的核心,它們在吸積週圍物質的效率也低得驚人。事實上,坍塌的恆星長大得很緩慢,它們不可能僅靠著吸收新物質而變成超大質量的星體。

牛津大學研究超大質量黑洞的研究員史美瑟思特說 假設第一批恆星在宇宙大爆炸後二億年左右形成黑洞,若在它們坍塌之後的大約13億年半的時間僅藉著吸積就能讓黑洞增大到太陽質量的數十億倍,這時間太短了。

更令人困惑的是,當宇宙才生成不久時,超大質量的黑洞就已經存在了。太空中遙遠而且是最明亮的的一些類星體實際上是古老的超大質量黑洞,是它們點燃了將要垂死星系的核心。其中一些巨星至少在宇宙形成6.7億年後就已經存在,當時一些已知最古老的星系正在形成。

雖然從外部無法觀察到黑洞的中心,但超大質量黑洞的亮度可以比整個星系更亮,它還會在吸入週圍星體或物質時好像打嗝般的釋放紫外線輻射。黑洞有一個稱為「事件視界」(Event Horizon) 的球形邊界。在這個邊界內,光、能量和物質都不可避免地被困住了。球界內的空間和時間本身也折疊了,大部分地球上的物理定律也失效了。但是就在邊界之外,一個旋轉的黑洞可以捲動附近的物質成為一個旋轉的超熱的轉盤。當溫度超過攝氏1,000萬度時,它會釋放出整個電磁波頻譜中令人炫目的明亮輻射。

巴黎天體物理學研究所的黑洞研究員瓦倫特瑞說,黑洞是宇宙中效率最高的引擎,它們能以高達40%的效率將質量轉化成能量。

科學家們不僅對超大質量黑洞的能源效率感到訝異。黑洞的形成和演化顯然與星系的發展,以及我們整個宇宙的歷史和結構有著密切的關聯。人類自古以來就對天上的星體,以及人類居住的地球充滿好奇與迷惑,人是從那裏來?為何有人類? 有沒外星世界?為世人解開這些宇宙巨大星體的謎團是科學家們不斷努力的動力與課題。

能量釋放隱藏了黑洞的秘密之一,當黑洞吞食中子星或密度較低的物體時,這些碰撞事件會在宇宙時空中產生重力波漣漪。這些波動以光速穿越宇宙,科學家在2015年首次在地球上探測到這個重力波。美國的雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatories, LIGO)和意大利比薩附近的處女座天文設備等大型儀器一直在偵測這些碰撞產生的重力波。

但是雖然這些天文台使用了尺寸有幾公里大的儀器,但它們只能探測到相對中等大小的黑洞所放射出的波動。

處女座設備和其他類似設備能夠探測到恆星黑洞在時空中產生的重力波(圖片來源:Claudio Giovannini/AFP/Getty Images)

美克思普朗克天文學研究所銀河系研究小組負責人紐邁爾說:「LIGO只能檢測到質量為大約150倍太陽大小的黑洞。與人們談論的大約10,000個太陽大小質量的中等質量黑洞存在著差距。而這種大小的黑洞實際上可能只是超大質量黑洞的種子而已。

紐邁爾說,中等質量的黑洞可能是在非常早期的宇宙中由巨大的氣體雲坍塌或恆星的碰撞所形成的。在宇宙初期的擁擠空間中,這些中等大小的黑洞彼此的連續碰撞,加上快速吸積週圍的物質,可能會加速它們的成長,變成超大質量黑洞。

不過中等質量黑洞種子理論仍存在問題。早期的小宇宙溫度也很高。氣體雲被輻射壟罩著,可能會給它們太多能量致使其無法自行坍塌。即使在一個密度很大的宇宙中,依照物理定律,黑洞吸收物質的最大速率仍然仍然有限。

瓦倫特瑞說,目前對超大質量黑洞的每一種解釋都存在著瓶頸和缺陷,阻礙了科學家們找出肯定的答案。這個涉及所謂的「動力學過程」(Dynamical Processes)的理論,定義黑洞是由許多恆星形成的而不是由一顆恆星形成,但是這種過程需要在非常特定的條件下才會發生。另外也有一個「原始黑洞」(Primordial Black Holes)的理論,它假設黑洞可能在恆星出現之前就已經存在並且在成長。但這是完全未知的領域。目前沒有任何觀測到的證據能驗證這一理論。她說她比較屬意動力學過程的理論,但這一理論卻難以可靠地預測任何大於約一千個太陽質量的物體。

她說,當你考慮到宇宙在十億年前類星體就已經具有十億個太陽大小的質量時,這是很難達到數量。她相信關於超大質量的黑洞如何形成的真正事實還有待研究。我們挖掘得越深,就越會發現我們認為已經理解的東西存在著問題。我們應該是漏掉了一些基本的要素。

可觀測到的兩兆個星系中的大部分都在加速彼此遠離,但也發生了許多碰撞事件

還好新一代的觀測儀器已經開始填補空白,像是VIRGO,LIGO以及類似的天文台正在提供更多有關黑洞數量、大小、年齡和位置的統計訊息。而為了取得關於超大質量黑洞的數據,研究人員將需要更大的探測器。

美國航太總署(NASA)和歐洲太空總署(ESA) 預計將在2030年代發射雷射干涉儀太空天線(Laser Interferometer Space Antenna, LISA),此天線是由三顆衛星組成,以三角形的形式布置在太空,其邊長為250萬公里。這個天線陣列的工作原理與LIGO和VIRGO類似,但它龐大的規模將使它能夠探測到現有技術無法捕捉到的超大黑洞發出的重力波。

已經有跡象顯示,超大質量黑洞產生的重力波正壟罩著我們。在2021年年初,天文學家宣布,他們偵測到來自45顆脈衝星的脈衝輻射存在著微小差異,小型的脈衝星會定期釋放光束。儘管其結果有待證實,但研究人員認為,這可能是由於超大質量黑洞合併時可能產生的「引力波背景」所導致。

但是還有其他更直接的方式來觀察黑洞。事件視界望遠鏡(Event Horizons Telescope)最近捕捉到首張黑洞照片,將這些神秘物體從陰影中襯托出來,並發掘到更多關於它們的本質,以及它們的引力與磁力對它們所在星系的影響。天體物理學家還可以追踪恆星在銀河系核心黑洞周圍的近距離軌道上的運動,推論出巨大質量物體中心的相關資訊。

儘管宇宙在膨脹中,但星系之間過去碰撞的殘跡卻出奇的多,並且同時間其他星系也持續地出現碰撞事件(圖片來源:NASA/ASC/ESA)

大多數此類觀測都使用一種稱為「適應性光學儀器」(Adaptive Optics,天文觀測所使用的鏡子,其形狀可以調整以便補償受到大氣扭曲的光線)技術的地面望遠鏡。觀測者在觀測恆星時對大氣所造成的失真進行分析,方法是透過電腦控制的信號對望遠鏡反射鏡物理形狀進行微調,以糾正這些失真。如此就能對數十億光年外星系的核心做精確的觀測,並取得超大質量黑洞的大量數據。

紐邁爾是最早使用適應性光學儀器技術研究星系核心的科學家之一。她說,與哈勃太空望遠鏡相比,可以從地球獲得更好的解析度。星系的質量越大,其中心超大質量黑洞的質量就越大。這些物體會同步長大,但不知原因為何。

儘管有這種關聯性,但目前沒有明確的證據能證明星系越大會產生越大質量的黑洞,反之亦同。它們是相關的,但這種聯繫的特質仍然是個謎。

有一種解釋說它可能是星系之間的碰撞。在可以觀測到的二萬億個星系中,大部分都在加速的遠離彼此,但也發生了許多碰撞,這樣就有機會發生兩個非常大星系中央的黑洞出現合併。有一些科學家認為,這可能就是超大質量黑洞的形成方式。

當相對較小的星系黑洞碰撞時,它們會在瞬間釋放出大量的能量,產生非常亮的閃光,其亮度可以在瞬間超越太空中的其他一切星體。如果我們看到超大質量黑洞的碰撞事件,那將會是在夜空中能探測到的最具災難性的天文事件。

但是,儘管科學家們懷疑超大品質黑洞之間的合併確實會發生,但由於黑洞動力學的另一個問題,它們可能會變得不那麼常見。

處於碰撞過程中的黑洞因為它們會越來越接近彼此,所以圍繞著對方旋轉的速度會越來越快。但是非常大的黑洞在彼此相距約1秒差距(Parsec,3.26光年距離)時,它們的軌道速度會開始與引力形成平衡狀態。它們軌道的速度衰減得很慢,以至於實際的黑洞合併不可能在宇宙的現有年齡內發生。

天體物理學家也在探索超大質量黑洞直接由暗物質形成的可能性,暗物質是將星系聚集在一起的神秘物質

儘管如此,物理學家們確實相信這種合併會發生,這就需要有新的理論來克服所謂的 “最後一秒問題”。必需有一些其他的力量或能量來使軌道上的黑洞產生合併。

宇宙中遍布這種被認為是通過合併形成的星系,包括我們的銀河系,這說明合併確實發生過。當星系發生碰撞時,因為其中的恒星、氣體雲、暗物質和黑洞會相互作用,使得星系原來的螺旋結構會被破壞。即使是星系之間的擦撞也會打亂它們的結構,這使得它們很容易被發現。

但這種碰撞現象卻無法用來解釋像UCG 11700這種完美的火焰輪星系中心的超大質量黑洞。因為它們的結構說明它們從未與其他星系碰撞過。

史美瑟思特說,他挑出非常罕見的星系,這些星系一直都很孤立,在宇宙中一直非常非常的處在隔絕境界中。在這些星系中,我們可以確定它中間的黑洞從未透過與其他天體合併而變大。這表示它們一定是有它們自己形成的方式。

史美瑟思特回顧她的研究以確定這些黑洞在開始時期必須有多大才能長大到目前的大小。她的最佳模型顯示,在宇宙早期形成的黑洞若具有1,000到10,000個太陽質量大小就有可能做到這一點。這些數據符合紐邁爾理論中關於中等大小的「種子」黑洞的理論。但是這種大小的黑洞卻不可能來自於坍塌的恒星。

宇宙的年齡還不足以讓黑洞僅僅通過吸積物質就成長為超大質量的黑洞(圖片來源:路透社/美國宇航局/噴氣推進實驗室/加州理工學院)

天體物理學家也在探索超大質量黑洞直接由暗物質形成的可能性,暗物質是將星系固定在一起的神秘物質。但是,暗物質是一種理論上的粒子類型,它會與引力相互作用,但對光和電磁來說是不可見的,人類對暗物質本身也所知有限。將黑洞和神祕的暗物質結合起來,對物理學形成的挑戰將更大。
史美瑟思特說,我們仍然有很多東西不知道,他認為,如果我們對形成黑洞的唯一途徑下結論,說是透過超新星形成,那會是很傲慢的做法。因為我們並無法確定,也許答案完全是我們還沒有想到其他東西。我期待著有一天宇宙會給我們帶來答案,那將會是科學上的一個美好日子。

更多先進的觀測儀器已經上路。今年秋天,美國國家航太總署計畫發射詹姆斯韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)(有可能重新命名),其有史以來最大的尺寸和感測能力將使其成為研究超大品質黑洞的珍貴工具。LISA任務一旦啟動,還將為科學家提供透過重力波觀測超大質量黑洞的新途徑。
其他科學家也同時在建立越來越詳細的數百萬個星系的位置、運動狀態、形狀和大小的天文圖,這為天文學家和理論家的研究提供了豐富的數據。

史美瑟思特進一部說,研究的結果是很有成就的,我們對黑洞有一百年的研究成果。但是與宇宙已經存在140億年相比,這還不足以解開所有的謎團。我動手解答了一個問題,隨後又有五個新問題出現,但這對我來說是沒問題的。

紐邁爾同意史美瑟思特的觀點,對於黑洞的神祕,最令人興奮的答案很可能是人們從未想到的。
她說這世紀的科技發展驚人驚異,使得這些天文發現成為可能。我們有很多想要解決的已知問題。但是我們也將會看到甚至無法想像的新事物,我認為這些是很令人驚豔的。

(編譯:牧蓮)

(責任編輯:姜啟明)

(文章來源:新三才首發)

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