宇宙时空 宇宙最大黑洞的神秘起源

宇宙最大黑洞的神秘起源

分享

【新三才首发】这个黑洞是已知宇宙中最大的黑洞,质量比我们的太阳大几十亿倍,但人们对这些巨物是如何形成以及如何变得如此之大却知之甚少。新的望远镜和技术为我们提供了一种观测这些巨物的新途径。

在海豚星座的腹部和飞马星座的后蹄之间,有一个编号UCG 11700的原始星系,数十亿年来它的絮状旋臂一直在稳定的旋转,不曾受到其他星系彼此之间碰撞、合并或形变的干扰。这个星系虽然非常壮观,形状有如宇宙中一个美丽的烟火环。但是它的中间却潜伏著一个非常可怕的超大质量黑洞,是宇宙中最神秘的物体之一。

虽然形成一个黑洞的标准起始质量大约是太阳质量的四倍,但有数不尽的黑洞其质量是太阳质量的几百万倍甚至数十亿倍。

科学家认为几乎每个大星系的中心都有一个超大质量黑洞,只是没有人知道他们是如何在那里形成的。而这就是Galaxy UCG 11700也许可以用来解释这个谜题的黑洞,它能够帮助人类解开这些黑洞是如何长大的。

牛津大学研究超大质量黑洞的初级研究员史美瑟思特说,在他研究中的理想星系是你所能想到的最美丽、有完美螺旋臂的星系。最漂亮的星系是那种可以帮助我们解开这些黑洞如何变大之谜的星系。

尽管名为黑洞,超大质量黑洞会让星系的中心发出异常明亮的光芒(图片来源:NASA/JPL-Caltech)

由于黑洞本质上密度非常大,以至于连光线都无法从其本身逸出,因此要了解它变得很困难。但是目前的新技术可以提供一些新的线索。新技术是借由寻找超大质量黑洞对其周围星体产生的影响,或是黑洞在时空结构中所造成的波动来研究。

黑洞是如何形成以及如何变大,这在目前已经有相当的了解。一颗将要灭尽的恒星耗尽燃料后,会爆炸成为超新星,然后坍陷,形成密度很高的星体,以至于连光线也无法逃脱它的强烈引力,这样就形成了黑洞。黑洞的概念在一个世纪前就已经被提出,而且爱因斯坦的广义相对论也对此做了预测。

一般认知,黑洞是一个完全黑暗且吸力无穷大的星体。在其周边的一切物体都会被它吸走,因此会不断的变大,吸力也越来越强。而超大质量的黑洞就是吸力最强且最古老的黑洞。

但实际上黑洞并没有这么厉害,即使它身处星系的核心,它们在吸积周围物质的效率也低得惊人。事实上,坍塌的恒星长大得很缓慢,它们不可能仅靠着吸收新物质而变成超大质量的星体。

牛津大学研究超大质量黑洞的研究员史美瑟思特说 假设第一批恒星在宇宙大爆炸后二亿年左右形成黑洞,若在它们坍塌之后的大约13亿年半的时间仅借着吸积就能让黑洞增大到太阳质量的数十亿倍,这时间太短了。

更令人困惑的是,当宇宙才生成不久时,超大质量的黑洞就已经存在了。太空中遥远而且是最明亮的的一些类星体实际上是古老的超大质量黑洞,是它们点燃了将要垂死星系的核心。其中一些巨星至少在宇宙形成6.7亿年后就已经存在,当时一些已知最古老的星系正在形成。

虽然从外部无法观察到黑洞的中心,但超大质量黑洞的亮度可以比整个星系更亮,它还会在吸入周围星体或物质时好像打嗝般的释放紫外线辐射。黑洞有一个称为「事件视界」(Event Horizon) 的球形边界。在这个边界内,光、能量和物质都不可避免地被困住了。球界内的空间和时间本身也折叠了,大部分地球上的物理定律也失效了。但是就在边界之外,一个旋转的黑洞可以卷动附近的物质成为一个旋转的超热的转盘。当温度超过摄氏1,000万度时,它会释放出整个电磁波频谱中令人炫目的明亮辐射。

巴黎天体物理学研究所的黑洞研究员瓦伦特瑞说,黑洞是宇宙中效率最高的引擎,它们能以高达40%的效率将质量转化成能量。

科学家们不仅对超大质量黑洞的能源效率感到讶异。黑洞的形成和演化显然与星系的发展,以及我们整个宇宙的历史和结构有着密切的关联。人类自古以来就对天上的星体,以及人类居住的地球充满好奇与迷惑,人是从那里来?为何有人类? 有没外星世界?为世人解开这些宇宙巨大星体的谜团是科学家们不断努力的动力与课题。

能量释放隐藏了黑洞的秘密之一,当黑洞吞食中子星或密度较低的物体时,这些碰撞事件会在宇宙时空中产生重力波涟漪。这些波动以光速穿越宇宙,科学家在2015年首次在地球上探测到这个重力波。美国的雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatories, LIGO)和意大利比萨附近的处女座天文设备等大型仪器一直在侦测这些碰撞产生的重力波。

但是虽然这些天文台使用了尺寸有几公里大的仪器,但它们只能探测到相对中等大小的黑洞所放射出的波动。

处女座设备和其他类似设备能够探测到恒星黑洞在时空中产生的重力波(图片来源:Claudio Giovannini/AFP/Getty Images)

美克思普朗克天文学研究所银河系研究小组负责人纽迈尔说:「LIGO只能检测到质量为大约150倍太阳大小的黑洞。与人们谈论的大约10,000个太阳大小质量的中等质量黑洞存在着差距。而这种大小的黑洞实际上可能只是超大质量黑洞的种子而已。

纽迈尔说,中等质量的黑洞可能是在非常早期的宇宙中由巨大的气体云坍塌或恒星的碰撞所形成的。在宇宙初期的拥挤空间中,这些中等大小的黑洞彼此的连续碰撞,加上快速吸积周围的物质,可能会加速它们的成长,变成超大质量黑洞。

不过中等质量黑洞种子理论仍存在问题。早期的小宇宙温度也很高。气体云被辐射垄罩着,可能会给它们太多能量致使其无法自行坍塌。即使在一个密度很大的宇宙中,依照物理定律,黑洞吸收物质的最大速率仍然仍然有限。

瓦伦特瑞说,目前对超大质量黑洞的每一种解释都存在着瓶颈和缺陷,阻碍了科学家们找出肯定的答案。这个涉及所谓的「动力学过程」(Dynamical Processes)的理论,定义黑洞是由许多恒星形成的而不是由一颗恒星形成,但是这种过程需要在非常特定的条件下才会发生。另外也有一个「原始黑洞」(Primordial Black Holes)的理论,它假设黑洞可能在恒星出现之前就已经存在并且在成长。但这是完全未知的领域。目前没有任何观测到的证据能验证这一理论。她说她比较属意动力学过程的理论,但这一理论却难以可靠地预测任何大于约一千个太阳质量的物体。

她说,当你考虑到宇宙在十亿年前类星体就已经具有十亿个太阳大小的质量时,这是很难达到数量。她相信关于超大质量的黑洞如何形成的真正事实还有待研究。我们挖掘得越深,就越会发现我们认为已经理解的东西存在着问题。我们应该是漏掉了一些基本的要素。

可观测到的两兆个星系中的大部分都在加速彼此远离,但也发生了许多碰撞事件

还好新一代的观测仪器已经开始填补空白,像是VIRGO,LIGO以及类似的天文台正在提供更多有关黑洞数量、大小、年龄和位置的统计讯息。而为了取得关于超大质量黑洞的数据,研究人员将需要更大的探测器。

美国航太总署(NASA)和欧洲太空总署(ESA) 预计将在2030年代发射雷射干涉仪太空天线(Laser Interferometer Space Antenna, LISA),此天线是由三颗卫星组成,以三角形的形式布置在太空,其边长为250万公里。这个天线阵列的工作原理与LIGO和VIRGO类似,但它庞大的规模将使它能够探测到现有技术无法捕捉到的超大黑洞发出的重力波。

已经有迹象显示,超大质量黑洞产生的重力波正垄罩着我们。在2021年年初,天文学家宣布,他们侦测到来自45颗脉冲星的脉冲辐射存在着微小差异,小型的脉冲星会定期释放光束。尽管其结果有待证实,但研究人员认为,这可能是由于超大质量黑洞合并时可能产生的「引力波背景」所导致。

但是还有其他更直接的方式来观察黑洞。事件视界望远镜(Event Horizons Telescope)最近捕捉到首张黑洞照片,将这些神秘物体从阴影中衬托出来,并发掘到更多关于它们的本质,以及它们的引力与磁力对它们所在星系的影响。天体物理学家还可以追踪恒星在银河系核心黑洞周围的近距离轨道上的运动,推论出巨大质量物体中心的相关资讯。

尽管宇宙在膨胀中,但星系之间过去碰撞的残迹却出奇的多,并且同时间其他星系也持续地出现碰撞事件(图片来源:NASA/ASC/ESA)

大多数此类观测都使用一种称为「适应性光学仪器」(Adaptive Optics,天文观测所使用的镜子,其形状可以调整以便补偿受到大气扭曲的光线)技术的地面望远镜。观测者在观测恒星时对大气所造成的失真进行分析,方法是透过电脑控制的信号对望远镜反射镜物理形状进行微调,以纠正这些失真。如此就能对数十亿光年外星系的核心做精确的观测,并取得超大质量黑洞的大量数据。

纽迈尔是最早使用适应性光学仪器技术研究星系核心的科学家之一。她说,与哈勃太空望远镜相比,可以从地球获得更好的解析度。星系的质量越大,其中心超大质量黑洞的质量就越大。这些物体会同步长大,但不知原因为何。

尽管有这种关联性,但目前没有明确的证据能证明星系越大会产生越大质量的黑洞,反之亦同。它们是相关的,但这种联系的特质仍然是个谜。

有一种解释说它可能是星系之间的碰撞。在可以观测到的二万亿个星系中,大部分都在加速的远离彼此,但也发生了许多碰撞,这样就有机会发生两个非常大星系中央的黑洞出现合并。有一些科学家认为,这可能就是超大质量黑洞的形成方式。

当相对较小的星系黑洞碰撞时,它们会在瞬间释放出大量的能量,产生非常亮的闪光,其亮度可以在瞬间超越太空中的其他一切星体。如果我们看到超大质量黑洞的碰撞事件,那将会是在夜空中能探测到的最具灾难性的天文事件。

但是,尽管科学家们怀疑超大品质黑洞之间的合并确实会发生,但由于黑洞动力学的另一个问题,它们可能会变得不那么常见。

处于碰撞过程中的黑洞因为它们会越来越接近彼此,所以围绕着对方旋转的速度会越来越快。但是非常大的黑洞在彼此相距约1秒差距(Parsec,3.26光年距离)时,它们的轨道速度会开始与引力形成平衡状态。它们轨道的速度衰减得很慢,以至于实际的黑洞合并不可能在宇宙的现有年龄内发生。

天体物理学家也在探索超大质量黑洞直接由暗物质形成的可能性,暗物质是将星系聚集在一起的神秘物质

尽管如此,物理学家们确实相信这种合并会发生,这就需要有新的理论来克服所谓的 “最后一秒问题”。必需有一些其他的力量或能量来使轨道上的黑洞产生合并。

宇宙中遍布这种被认为是通过合并形成的星系,包括我们的银河系,这说明合并确实发生过。当星系发生碰撞时,因为其中的恒星、气体云、暗物质和黑洞会相互作用,使得星系原来的螺旋结构会被破坏。即使是星系之间的擦撞也会打乱它们的结构,这使得它们很容易被发现。

但这种碰撞现象却无法用来解释像UCG 11700这种完美的火焰轮星系中心的超大质量黑洞。因为它们的结构说明它们从未与其他星系碰撞过。

史美瑟思特说,他挑出非常罕见的星系,这些星系一直都很孤立,在宇宙中一直非常非常的处在隔绝境界中。在这些星系中,我们可以确定它中间的黑洞从未透过与其他天体合并而变大。这表示它们一定是有它们自己形成的方式。

史美瑟思特回顾她的研究以确定这些黑洞在开始时期必须有多大才能长大到目前的大小。她的最佳模型显示,在宇宙早期形成的黑洞若具有1,000到10,000个太阳质量大小就有可能做到这一点。这些数据符合纽迈尔理论中关于中等大小的「种子」黑洞的理论。但是这种大小的黑洞却不可能来自于坍塌的恒星。

宇宙的年龄还不足以让黑洞仅仅通过吸积物质就成长为超大质量的黑洞(图片来源:路透社/美国宇航局/喷气推进实验室/加州理工学院)

天体物理学家也在探索超大质量黑洞直接由暗物质形成的可能性,暗物质是将星系固定在一起的神秘物质。但是,暗物质是一种理论上的粒子类型,它会与引力相互作用,但对光和电磁来说是不可见的,人类对暗物质本身也所知有限。将黑洞和神祕的暗物质结合起来,对物理学形成的挑战将更大。
史美瑟思特说,我们仍然有很多东西不知道,他认为,如果我们对形成黑洞的唯一途径下结论,说是透过超新星形成,那会是很傲慢的做法。因为我们并无法确定,也许答案完全是我们还没有想到其他东西。我期待着有一天宇宙会给我们带来答案,那将会是科学上的一个美好日子。

更多先进的观测仪器已经上路。今年秋天,美国国家航太总署计画发射詹姆斯韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)(有可能重新命名),其有史以来最大的尺寸和感测能力将使其成为研究超大品质黑洞的珍贵工具。LISA任务一旦启动,还将为科学家提供透过重力波观测超大质量黑洞的新途径。
其他科学家也同时在建立越来越详细的数百万个星系的位置、运动状态、形状和大小的天文图,这为天文学家和理论家的研究提供了丰富的数据。

史美瑟思特进一部说,研究的结果是很有成就的,我们对黑洞有一百年的研究成果。但是与宇宙已经存在140亿年相比,这还不足以解开所有的谜团。我动手解答了一个问题,随后又有五个新问题出现,但这对我来说是没问题的。

纽迈尔同意史美瑟思特的观点,对于黑洞的神祕,最令人兴奋的答案很可能是人们从未想到的。
她说这世纪的科技发展惊人惊异,使得这些天文发现成为可能。我们有很多想要解决的已知问题。但是我们也将会看到甚至无法想像的新事物,我认为这些是很令人惊艳的。

(编译:牧莲)

(责任编辑:姜启明)

(文章来源:新三才首发)

留下一个答复

Please enter your comment!
Please enter your name here