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科学家发现相当罕见的“青年期”黑洞

来源:http://www.4sports-uk.com 作者:3522.com 时间:2020-03-18 06:49

科学家发现相当罕见的“青年期”黑洞

年幼的宇宙如何养育出大胖子黑洞

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近日,《自然》刊发的一篇文章再次刷新了人类探测黑洞的记录。该文章宣布发现了宇宙大爆炸之后6.9亿年的超大质量黑洞,是迄今所知宇宙最早期的超大质量黑洞。

黑洞的吸积物质时会释放出辐射,因此我们可以探测到黑洞的存在,但对于黑洞的成长,我们了解并不多

如果将可观测宇宙历史138亿年浓缩为100年,那就相当于在宇宙只有5岁时,养育了一个大胖子黑洞。这不禁让人疑问,这个胖子黑洞是如何养成的?

腾讯科学讯 据国外媒体报道,黑洞是如何形成的?科学家发现了关于黑洞形成的最新线索,黑洞作为宇宙中最奇特的天体,存在两个极端的质量,有些黑洞质量非常低,只有数十倍太阳质量,我们称之为恒星级恒星,属于黑洞中的小个头,而有些黑洞质量则非常庞大,达到数十亿倍太阳质量以上。到目前为止,科学家并没有发现太多中等质量黑洞的证据,但这一次,我们观测到在梅西耶82天体附近存在一个中等质量黑洞,这是黑洞演化过程中缺失的一环,可以连接恒星级黑洞与超大质量黑洞的成长过程,其中隐藏了关于黑洞形成的奥秘。

黑洞的提出,还要回到爱因斯坦的广义相对论。在广义相对论提出的那一年,德国天文学家史瓦西求出了爱因斯坦方程的第一个严格解,对应的是球对称、不自转物体重力场的精确解。他发现,任何具有质量的物体都存在一个临界半径——后被称作史瓦西半径。如果某质量的物体塌缩至史瓦西半径,该物体将在自身引力作用下继续塌缩至黑洞。在史瓦西半径内,包括光子在内的任何粒子都无法逃离,意味着我们无法看到它。

马里兰大学帕天文研究生Dheeraj Pasham是本项研究课题的负责人,我们已经知道几乎每个星系中央都存在一个质量巨大的黑洞,虽然有些黑洞不是超大质量黑洞,但质量也很庞大,我们并不知道质量较大的黑洞是如何形成的。黑洞的特点是拥有强大的引力场,连光线都无法逃脱黑洞的引力控制,更不用说运动速度较低的宏观物质了,尽管黑洞无法被直接观测到,但我们可以通过间接的手段探测到黑洞的存在,物质落入黑洞的过程会产生喷流,从而指示出黑洞的位置。

当然,黑洞不是停留在笔尖的数学解,而是宇宙中常见的怪兽。尽管我们不能直接看到黑洞,但可以通过它们对周围物质的引力影响来判断它的存在,如根据周围恒星或气体的运动、根据黑洞的强引力对光线的弯曲效应等。引力波信号的探测,以另一种方式证明了黑洞的存在。

科学家发现宇宙中的黑洞主要集中在两个质量区间,10至100倍太阳质量和数十亿倍质量的黑洞,质量介于其中的黑洞非常非常少,导致科学家一度认为中等质量黑洞可能不存在,最近发现的中等质量黑洞在400倍太阳质量,该调查论文公布在周日的《自然》期刊上,这也将是科学家第一次对中等质量黑洞进行精确的质量调查。

天文学家们根据质量的不同将黑洞分类成:恒星级质量黑洞(质量从几倍到几百倍太阳质量)、超大质量黑洞(质量大于几百万倍太阳质量)和介于恒星级和超大质量黑洞之间的中等质量黑洞三大类。目前,恒星级质量黑洞和超大质量黑洞都被观测到,唯独中等质量黑洞的观测成果甚少。

3522.com,关于黑洞的形成问题,科学家认为其来自恒星的坍缩,恒星在自身引力的作用下发生了坍缩,并形成了黑洞,此后黑洞通过吸积物质开始漫长的成长过程,至少科学家目前认为黑洞是这样演化的,有时候黑洞也会通过合并来增加质量,因为吸积物质仍然存在一个速度上限,而合并能加速质量增加的过程。目前发现的中等质量黑洞非常令人兴奋,为科学家提供了黑洞处于“青少年”时期的参数,我们未来还可能发现更多的中等质量黑洞。

一般认为,恒星级质量黑洞的形成与大质量恒星有关。它演化到晚期后,核心的燃料用尽,所产生的能量无法抵挡自身物质向内的引力,会发生塌缩,并以超新星爆炸结束自己的生命。当剩余的核心质量大于3.2倍太阳质量时,将会在引力作用下继续塌缩形成黑洞。

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面对中等质量黑洞缺乏观测证据的现状,天文学家们推测,中等质量黑洞的来源有三种可能机制:恒星级质量黑洞的并合或恒星级质量黑洞通过吞噬气体成长而形成,宇宙大爆炸过程中形成的原初黑洞,以及经星团历练后的大质量恒星塌缩而成。对于第三种可能,科学家认为在星团中,很多大质量恒星可能持续损失能量和转动的能力,因而慢慢移动到星团的中心,它们之间相互碰撞并合形成更大质量的恒星,直至形成质量在几百倍至几千倍太阳质量的恒星,并最终塌缩形成中等质量黑洞。

至于超大质量黑洞,简单的回答便是通过更小质量黑洞的碰撞并合,以及更小质量的黑洞吞噬气体尘埃而成。

黑洞吞噬物质在宇宙中是常见的。而黑洞并合带来成长,也不难理解。LIGO探测的五次引力波都对应了恒星级质量黑洞的并合事件,让更小的黑洞借助并合成长为更大的黑洞;几乎在每个大质量星系的中心都存在一个超大质量黑洞,宇宙中也不乏星系并合的观测证据,星系并合的后期,便是两者中心超大质量黑洞的并合。

黑洞吞噬周围气体是有节制的。黑洞在吸积吞噬周围物质时,物质下落释放的引力能会转化为辐射,当吞食的物质累积到一定程度,向外的辐射压会阻止物质的进一步下落。当天体作用于一个粒子上的引力和辐射压刚好平衡时,对应的临界吸积率称作爱丁顿吸积率。一般情况下,爱丁顿吸积率是黑洞吸积物质的最大效率。

观测发现,在宇宙早期,比如宇宙大爆炸之后10亿年内,就存在质量为百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这令人疑惑,如果说它是从一个婴儿黑洞长大的,这个婴儿黑洞得多大?婴儿黑洞如何吞噬周围气体尘埃食物,才能长成实际观测到的大胖子呢?

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