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多少恒星成黑洞?4000億億個(gè)!

發(fā)布時(shí)間:2022-02-08 10:23:00來(lái)源: 科技日?qǐng)?bào)

  知道了宇宙中恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的總數(shù),可以幫助人類(lèi)進(jìn)一步理解宇宙“巨型怪獸”是如何從“輕種子”黑洞生長(zhǎng)起來(lái)的,進(jìn)而可以讓人們對(duì)恒星演化、星系演化等基本天體物理過(guò)程有更深刻的認(rèn)識(shí),對(duì)雙黑洞系統(tǒng)的形成渠道有更清楚的分辨,對(duì)雙星演化涉及的物理過(guò)程有更好的理解。

  黑洞,宇宙中最神秘的天體之一,它的起源和形成講述著宇宙的過(guò)去和未來(lái)。黑洞在宇宙中占比多少?對(duì)宇宙有多大影響?科學(xué)家一直在尋找答案。

  不久前,來(lái)自意大利國(guó)際高等研究院(SISSA)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在《天體物理學(xué)雜志》上撰文稱(chēng),他們首次計(jì)算出恒星級(jí)質(zhì)量黑洞在整個(gè)宇宙中的數(shù)量及分布情況。他們估計(jì),宇宙中恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的數(shù)量達(dá)到了4000億億個(gè)。

  天文學(xué)家迫切希望摸清黑洞“家底”

  據(jù)悉,研究人員通過(guò)黑洞誕生的幾率、恒星質(zhì)量、星系的金屬豐度等多個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)估得到了恒星級(jí)質(zhì)量黑洞數(shù)據(jù)。

  “恒星級(jí)質(zhì)量黑洞是大質(zhì)量恒星演化到終結(jié)的產(chǎn)物,它的數(shù)量中隱含著恒星、雙星形成和演化以及星系形成和演化的信息?!比A中科技大學(xué)物理學(xué)院教授雷衛(wèi)華表示,研究這些黑洞的數(shù)量和質(zhì)量分布,對(duì)于理解星系和宇宙的結(jié)構(gòu)及演化具有重要意義,因此宇宙中究竟有多少個(gè)黑洞,也是現(xiàn)代天體物理學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)域最希望解決的問(wèn)題之一。

  一般而言,通過(guò)質(zhì)量可以將黑洞劃分為恒星級(jí)質(zhì)量黑洞、中等質(zhì)量黑洞以及超大質(zhì)量黑洞三類(lèi)。

  現(xiàn)有理論認(rèn)為,恒星級(jí)質(zhì)量黑洞,即5倍—150倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞,是恒星走向壽命終點(diǎn)后坍塌而成,這些黑洞互相之間也常發(fā)生并合事件,并合后的黑洞質(zhì)量更大。但是科學(xué)家仍不明確,那些超大質(zhì)量黑洞到底是怎樣發(fā)展而來(lái)。

  科學(xué)研究表明,很多星系中心都“隱藏”著百萬(wàn)到百億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞,它們是宇宙中的“巨型怪獸”,而它們與星系之間存在著緊密聯(lián)系,其中幾千到百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞被認(rèn)為是形成這些宇宙“巨型怪獸”的“重種子”,而恒星級(jí)質(zhì)量黑洞則是形成宇宙“巨型怪獸”的“輕種子”。因此,探測(cè)出兩類(lèi)“種子”的數(shù)量及分布是研究超大質(zhì)量黑洞形成的理論基礎(chǔ)。

  那么,宇宙中是否存在幾千到百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞?雷衛(wèi)華表示目前也只有一些觀測(cè)上的初步證據(jù),實(shí)際中等質(zhì)量黑洞是否存在尚不清楚。但是,對(duì)于解釋一些出現(xiàn)在早期宇宙(宇宙誕生后8億年內(nèi))中超過(guò)10億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞來(lái)說(shuō),中等質(zhì)量黑洞的存在具有決定性意義。未來(lái)空間引力波探測(cè)或許會(huì)給出答案,告訴我們到底有沒(méi)有中等質(zhì)量黑洞,以及有多少中等質(zhì)量黑洞。

  雷衛(wèi)華介紹,隨著望遠(yuǎn)鏡探測(cè)能力不斷提升,人類(lèi)對(duì)宇宙的探測(cè)越來(lái)越深,與黑洞相關(guān)的很多現(xiàn)象都發(fā)生在宇宙學(xué)尺度,科學(xué)家觀測(cè)這些現(xiàn)象所獲得的天體性質(zhì)也是在宇宙尺度上的,“估算跨越宇宙演化歷程的黑洞分布和數(shù)量對(duì)于解釋超大質(zhì)量黑洞具有決定性作用,對(duì)天體物理研究是非常有意義的?!崩仔l(wèi)華說(shuō)。

  黑洞無(wú)法直接觀測(cè)該如何計(jì)數(shù)

  黑洞引力非常大,無(wú)論是物質(zhì)還是輻射,甚至光都難以從黑洞內(nèi)部逃脫,也正因?yàn)槿绱?,人?lèi)無(wú)法直接看到它們。科研人員表示,黑洞無(wú)法直接觀測(cè),但可以借由一些間接方式得知黑洞的存在與質(zhì)量。例如,借由物體被黑洞吸入前因黑洞引力帶來(lái)的加速度而導(dǎo)致的摩擦放出的射線(xiàn)信息,可以推測(cè)出黑洞的存在,也可借由間接觀測(cè)恒星或星際云氣團(tuán)繞行軌跡來(lái)獲取黑洞的位置以及質(zhì)量。

  要估計(jì)宇宙中究竟存在多少個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞,關(guān)鍵要弄清恒星級(jí)質(zhì)量黑洞在宇宙演化過(guò)程中的分布情況,這在天文學(xué)中被稱(chēng)為黑洞的質(zhì)量函數(shù)。事實(shí)上,測(cè)算黑洞數(shù)量,還可以使用雙星演化數(shù)據(jù)、其他不同的理論模型,或基于引力波探測(cè)的結(jié)果來(lái)估計(jì)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的分布,進(jìn)而得到宇宙中黑洞的數(shù)量。

  此次最新研究中,研究團(tuán)隊(duì)利用自己開(kāi)發(fā)的恒星和雙星演化代碼并結(jié)合宇宙演化歷程中星系物理性質(zhì)的統(tǒng)計(jì),得到了恒星級(jí)質(zhì)量黑洞在整個(gè)宇宙演化歷程中的質(zhì)量分布。由此結(jié)果,人們便可以估算出目前整個(gè)可觀測(cè)宇宙中恒星級(jí)黑洞的總數(shù)量。

  雷衛(wèi)華解釋?zhuān)唧w而言,首先需要基于已有的觀測(cè)知識(shí)給出宇宙演化歷程中星系的性質(zhì),其中包括會(huì)對(duì)恒星和雙星演化產(chǎn)生顯著影響的恒星形成率、恒星質(zhì)量分布和金屬豐度分布等物理量。其次,利用代碼來(lái)追蹤這些恒星或雙星的演化過(guò)程。

  “只有那些大質(zhì)量的恒星才能在其生命盡頭發(fā)生超新星爆發(fā)并坍縮為黑洞,對(duì)于雙星系統(tǒng),其伴星可能在演化中已經(jīng)被拋射出去或被摧毀,演化為孤立黑洞,也有可能形成雙黑洞系統(tǒng),并輻射引力波。”雷衛(wèi)華說(shuō),這項(xiàng)計(jì)算還考慮了雙黑洞系統(tǒng)由于輻射引力波而最終并合形成更大質(zhì)量黑洞,從而導(dǎo)致黑洞的質(zhì)量分布變化的情況。

  基于黑洞質(zhì)量分布的估計(jì),雖然得到宇宙中黑洞的數(shù)量大得驚人,但其總質(zhì)量仍只占宇宙中普通物質(zhì)的1%左右。其中,超大質(zhì)量黑洞所占更少。雷衛(wèi)華解釋?zhuān)ǔR粋€(gè)星系只有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞,這表明大部分的普通物質(zhì)仍存在于星云中,這里是恒星誕生的地方。這些普通物質(zhì)將繼續(xù)驅(qū)動(dòng)著恒星的誕生和演化,并影響星系的結(jié)構(gòu)和演化。

  知曉黑洞總數(shù)科學(xué)意義重大

  知道了宇宙中恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的總數(shù),可以幫助人類(lèi)進(jìn)一步理解宇宙“巨型怪獸”是如何從“輕種子”黑洞成長(zhǎng)起來(lái)的,進(jìn)而可以讓人們對(duì)恒星演化、星系演化等基本天體物理過(guò)程有更深刻的認(rèn)識(shí),對(duì)雙黑洞系統(tǒng)的形成渠道有更清楚的分辨,對(duì)雙星演化涉及的物理過(guò)程有更好的理解。

  雷衛(wèi)華說(shuō),恒星級(jí)質(zhì)量黑洞是明亮X射線(xiàn)源、超新星爆發(fā)、短時(shí)標(biāo)伽馬射線(xiàn)暴和千新星等高能天體物理現(xiàn)象的中心天體,了解黑洞的數(shù)量和質(zhì)量分布,會(huì)加深我們對(duì)這些天體現(xiàn)象及其物理本質(zhì)的理解,對(duì)這些劇烈爆發(fā)事件的發(fā)生做出預(yù)判。而這些高能現(xiàn)象也是生產(chǎn)宇宙中重元素的“工廠”,對(duì)人類(lèi)進(jìn)一步理解生命的起源也至關(guān)重要。

  此外,雙黑洞系統(tǒng)是重要的低頻和高頻引力波源,是“天琴”“太極”等空間引力波探測(cè)器和地面引力波探測(cè)器的目標(biāo)源,對(duì)黑洞分布的進(jìn)一步了解,將幫助人類(lèi)在更高精度研究黑洞物理、限制宇宙學(xué)參數(shù),以及檢驗(yàn)引力理論。

  研究團(tuán)隊(duì)將恒星和雙星演化模型與宇宙演化歷程中星系物理性質(zhì)結(jié)合起來(lái),這種研究思路受到相關(guān)學(xué)界普遍認(rèn)可,其測(cè)算結(jié)果也與地面引力波探測(cè)器估計(jì)的結(jié)果基本吻合。但也有研究人員指出,研究中用到了很多簡(jiǎn)化和假設(shè),例如只考慮了孤立恒星和雙星演化形成黑洞的途徑。而形成黑洞的其他渠道,例如星團(tuán)、活動(dòng)星系核吸積盤(pán)等并未考慮在內(nèi)。這些渠道對(duì)較大質(zhì)量的恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的形成也很重要?;蛟S未來(lái)將有更多關(guān)于黑洞的研究揭示更多黑洞的秘密。

  本報(bào)記者 吳純新 符曉波

(責(zé)編: 陳濛濛)

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