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银河系里潜藏了1亿多个黑洞,我们如何才能发现它们?

如果说,宇宙是一片弱肉强食的“黑暗森林”,而每一个文明都是潜行的猎手;那么,黑洞绝对是终极的潜藏之地。

作为“黑暗森林”里真正的隐匿秘境,黑洞既不发出光,也不反射光。因此,没人能直接获取它的信息。

正因为神秘,对它的研究也更令人着迷。在如今的天文学领域,黑洞研究可谓举足轻重。为了更好地验证、完善黑洞理论,天文学家们无时无刻不在浩瀚的宇宙中搜寻它们的踪迹。

然而,对于这些从不对外吐露信息的黑洞,我们到底是如何寻找它们的呢?

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存在必有痕迹,没有什么能孤立于世。

在距离地球1000光年外,也有一个类似《三体》的三合星系统,编号HR6819。

前不久,5月6日欧洲南方天文台突然发布消息,认为HR6819中有一个看不见的天体,而它很可能是一个“安静”的黑洞。

银河系里潜藏了1亿多个黑洞,我们如何才能发现它们?HR 6819系统,红色是看不见的黑洞

早在2004年,天文学家们就盯上了HR6819,随后发现其中一颗恒星总是以某个点“摇摆”,这意味着它的附近有某种看不见的引力源。

根据长时间的观测数据,研究者计算得出一颗正常的恒星无法在那颗摇曳的恒星光亮下隐藏起来,而且其质量至少是太阳的4.2倍。

这太重了,它不可能是一颗中子星,更可能是一个黑洞。

在天文学中,通过观测双星系统的引力效应,是探测黑洞的一个重要手段。

因为一颗普通恒星常和一颗看不见的“恒星”组成双星系统。距离不是问题,只要可见恒星足够明亮,在光谱中显示清晰的线条,我们就可以计算出它在轨道上的移动速度。如果再能知道双星的倾角(指双星轨道平面与所见的天空平面之间的角度),就可以计算出看不见“恒星”质量的下限与上限。

银河系里潜藏了1亿多个黑洞,我们如何才能发现它们?

如果测出的最小质量大于中子星的最大质量(约3.2倍太阳质量),那么看不见的“恒星”就很可能是黑洞。然而这种间接方法还不足以确定黑洞,所为HR6819中隐藏的那个不明物体还只能称为黑洞候选者(Black Hole Candidates)。

目前来说,HR6819中可见恒星的质量是依赖于一个假设计算而来。如果这个假设错了,那么这个不明物体的质量可能就会小一些,变成一颗黯淡的中子星,甚至是一颗非常轻的普通恒星,根本就不是黑洞。

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新发现的这个黑洞候选者之所以“安静”,因为它并不像我们以往发现的那些黑洞一样发出强烈的X射线,而大多数黑洞候选者都是X射线双星(X-ray Binaries)的成员。

所谓的X射线双星,就是一个释放X射线的双星系统。它们是宇宙中第一批被发现的X射线源(除了太阳和类似太阳系来源)。

X射线双星有两种不同的类型:高质量X射线双星(HMXB)和低质量X射线双星(LMXB),它们具有不同的性质。

高质量X射线双星最初源于两颗不同质量的恒星系统,它们围绕着共同的质心旋转。质量越大的个体演化速度越快,在几百万年之后,首先走向生命的尽头,膨胀为一颗巨星。

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其膨胀的外层反而会被质量小的伴星所吸食,然而这并阻挡不了它最终在超新星中爆炸,留下一颗中子星或黑洞。这可能会破坏双星系统,但如果这颗恒星在爆炸时的质量比它的伴星小,那么它们的系统就会保持下来,尽管轨道可能会更偏心。

随后,伴星走向生命的尽头膨胀成为一颗巨星。然后,它松散的外层又将被中子星或黑洞吸食,进入HMXB阶段。

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黑洞高质量X射线双星系统的可视化效果

伴星的气体通过系统的洛希瓣(Roche Lobe)落入中子星或黑洞的引力势井,形成一个气体的吸积盘。伴星原本的引力势能被转化为吸积盘上的气体动能。吸积盘上的气体由远到近,动能逐渐增加,当靠近黑洞时,动能就会疯狂增加。由于气体动能与其温度成正比,动能越高,产生的光子辐射能就越高,再加上由黑洞形成的喷流,就会产生强烈且持续的X射线。

天鹅座X-1就是这种类型的X射线双星。不过它强烈的X射线不仅是因为吸积盘,还因为它有一个比太阳日冕强10000倍的日冕,而这大部分能量都是由黑洞巨大的引力驱动的。

低质量X射线双星的起源还不太清楚。最有可能的解释是,它们源于一颗致密天体的引力捕获。一颗原本孤零零的恒星残余,在星际旅程中,捕获了另一颗恒星并缓慢吸食它,这种双星系统会更稳定。

如果是中子星,质量的转移会使它旋转加快,甚至变成一颗每秒转数高达千次的毫秒脉冲星。

低质量的X射线双星倾向于以爆发和瞬变的形式发射X射线,它们发射的X射线能量也更低,以至于有些我们并不一定能发现。

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在高质量X射线双星中,那颗看不见的物体有可能是黑洞,也有可能是中子星。

中子星和黑洞的重要区别在于:黑洞没有坚硬的表面。当伴星的气体落入黑洞时,不可能在表面发生核爆炸,而当气体物质堆积在中子星表面时,可以将中子星“点燃”,就像在恒星核心一样。这会导致其最大的可见热核闪光。X射线发射可以上升10倍,然后再次衰弱。

银河系里潜藏了1亿多个黑洞,我们如何才能发现它们?

这样看来,如果高质量X射线双星中伴有核爆炸的发生,那么这颗星一定是中子星,而不是黑洞。然而,实际情况并非如此。因为在吸积盘中的气体也有可能发生核爆炸的耀斑。

不过,物质在进入视界时会丢失,所以黑洞周围的吸积盘应该比中子星暗一点。一些观测证据已经证明了这一特征。当然前提是我们没正对黑洞喷流方向。

银河系里潜藏了1亿多个黑洞,我们如何才能发现它们?

除了在高质量的X射线双星中,还有其他地方可以发现黑洞。

1、超新星的遗迹

当一些超新星遗迹中没有中子星的证据,就很可能有一个黑洞诞生其中。

2、γ射线暴

天文学家认为在一颗绚烂无比的超新星中,形成一个快速旋转的黑洞时,就会发生γ射线爆发。

3、引力透镜

在宇宙中大大小小的天体产生的引力场都会使得空间弯曲,从而使光看起来像在弯曲的路径上传播。

如果一个黑洞挡在了恒星前面,我们仍然可以看到恒星发出的光,因为光会围绕着黑洞移动,黑洞会放大后面恒星的光,使得恒星变得更亮。这称之为引力透镜效应。而且根据放大的效果,我们可以计算出充当“透镜”的黑洞质量。

银河系里潜藏了1亿多个黑洞,我们如何才能发现它们?

然而,这种光亮的变化可能源自引力透镜效应,也可能源自恒星自身。要区别它们就需要记住一个重要事实:经过透镜放大的星光,蓝光和红光都会以同样的亮度变亮,而如果这颗恒星碰巧自己亮了,蓝光和红光就不会以同样的速度增加。

4、星系核心

现在的研究表明,每个星系的中心都有一个超大质量的黑洞。比如我们的银心就潜藏着一个百万倍太阳质量的超大黑洞。

这些黑洞以它那宇宙洪荒之力,搅动着整个星系,为宇宙汪洋掀起星星点点的浪花,但欧洲南方天文台的Marianne Heida认为,银河系中绝大多数黑洞实际上都很“安静”。

在我们的银河系中,大约潜藏着1亿多个黑洞,而我们至今发现的黑洞不过100个左右。如果HR6819中那个黑洞被证实,它或许是离地球最近的一个。

寻找这些“安静”的黑洞,在未来相当一段时间内,将是天文学家需要攻克的一大难题。

对于这些黑洞,虽然我们未曾真正见上一面,甚至从未直接获取关于它们的信息,但我们却能通过想象、推测、检验……进而确认它们的存在,想来真是不可思议。

以人类自身的局限性来说,黑洞代表着宇宙的一种终极未知,而为了越来越靠近这些未知,我们首先需要寻找到更多的黑洞。

无论黑洞是否是连接另一个时空的通道,但它至少是连接已知与未知的桥梁。

至于“黑暗森林”里的黑洞,是否潜藏着高级文明的猎手,就交给大家去脑洞了!

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