天文學(xué)家們想尋找巨型黑洞，結(jié)果捅了“黑洞窩”

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編者按：當(dāng)我們觀看《星際穿越》，看到那個巨大的球形黑洞出現(xiàn)在屏幕上時，那種對于未知、對于一個神秘的巨大存在的驚嘆感覺，相信大家猶存記憶。黑洞，這個夜空中無法用肉眼看到、卻讓我們充滿好奇的存在，還有很多謎團(tuán)等待揭曉。最近，一組天文學(xué)家在試圖尋找巨型黑洞時，發(fā)現(xiàn)了我們的鄰居——NCG6397星團(tuán)的中心存在巨大質(zhì)量的神秘存在?！八鼈儭笔鞘裁矗趾途扌秃诙吹漠a(chǎn)生有著怎樣的聯(lián)系？讓我們一探究竟。本文譯自The New York Times，作者Dennis Overbye，原標(biāo)題為“Hunting for a Giant Black Hole, Astronomers Found a Nest of Darkness”，希望對您有所啟發(fā)。

近日，兩名天文學(xué)家正試圖尋找宇宙中的巨型黑洞。他們查遍了來自地球表面和上空最強(qiáng)大的天文望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，希望能從中找到位于遙遠(yuǎn)球狀星團(tuán)NGC6397中的不可見巨型黑洞存在的線索。

結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)自己“捅了小黑洞的窩”，還一“捅”就是六十個：這些“小怪獸”像引擎般火力十足，擠在比我們的太陽系沒大多少的空間里十分熱鬧，還把它們驚人的質(zhì)量拋到星團(tuán)的致密中心。

2月11日，來自巴黎天體物理研究所的愛德華多·維特拉爾和蓋瑞·馬蒙在《天文與天體物理學(xué)報》發(fā)表了針對哈勃望遠(yuǎn)鏡和歐洲空間局的蓋亞任務(wù)望遠(yuǎn)鏡所獲取數(shù)據(jù)的研究成果。

“我們找到了有力證據(jù)，證明在這個球形星團(tuán)的致密中心部位，存在著看不見的巨型天體，”研究生身份的維特拉在空間望遠(yuǎn)鏡研究所的一次新聞發(fā)布會上說到。“但我們也很吃驚地發(fā)現(xiàn)，這個巨型天體并不是點(diǎn)粒子那種形式?！?/p>

這個令人驚異的研究結(jié)果也給了天文學(xué)者們一個全新的視角，用以更細(xì)致地觀測太陽系鄰近這塊熱鬧之地的內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)。維特拉爾和馬蒙的研究成果顯示，這些星團(tuán)可能是LIGO和Virgo這些天文望遠(yuǎn)鏡近年來觀測到的引力波的來源，星團(tuán)可能由黑洞碰撞形成。

但這次發(fā)現(xiàn)也讓人對于小型黑洞轉(zhuǎn)化為巨型黑洞的假定過程產(chǎn)生新的疑問：這些只比太陽大幾倍的黑洞，究竟是如何合并膨脹成為占據(jù)銀河中心、能量波及遙遠(yuǎn)類星體的龐然大物的？

根據(jù)愛因斯坦的相對論所預(yù)測，黑洞引力巨大，甚至連光線都無法逃脫它。黑洞的存在曾經(jīng)受到質(zhì)疑，但如今天文學(xué)家普遍認(rèn)為黑洞就像時空中的坑坑洼洼一樣，遍布散落在宇宙之中，大部分質(zhì)量只有太陽的幾倍。星體死亡后內(nèi)部坍塌，在燃盡自身的熱核能后消失殆盡，形成了這些黑洞。

除此之外，在銀河中心地帶，也有質(zhì)量在太陽上百萬倍到上十億倍的黑洞。銀河的大小和中心黑洞的質(zhì)量之間似乎存在著某種關(guān)聯(lián)，但沒人知道這些巨大的黑洞是怎么形成的。

其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為，這些巨型質(zhì)量黑洞來自于體積更小的恒星型黑洞。根據(jù)這種觀點(diǎn)，在兩者之間應(yīng)該有中介質(zhì)量黑洞——大概在太陽的百倍到千倍之間——飄浮在像NGC6397星團(tuán)這樣的小型星系或者星系碎片中。然而至今為止，這樣的中介質(zhì)量黑洞仍未現(xiàn)形。

NGC6397星團(tuán)是環(huán)繞銀河的古老星體所組成的150個球狀星云之一，它很可能在銀河誕生之前就已經(jīng)存在了。NGC6397星團(tuán)有130億年歷史，含25萬顆星體。這些星體全都體積微小，悠久黯淡。其中一些在很久之前比較明亮、體積較大的星體已在燃燒中耗盡能量，伴隨著黑洞或其他恒星產(chǎn)物的衰亡走向湮滅。

因此，NGC6397內(nèi)部很有可能隱藏著中介質(zhì)量黑洞。實際上，一些早期研究就表明，在NGC6397的中心位置存在著一個相當(dāng)于600倍太陽質(zhì)量的黑洞。

為了深入研究中型過渡黑洞問題，馬蒙和他的學(xué)生對哈勃及蓋亞任務(wù)望遠(yuǎn)鏡獲取的NGC6397內(nèi)部單個星體的運(yùn)動進(jìn)行了高分辨率觀測。星體運(yùn)動越快，它們就需要越大的引力和質(zhì)量在星團(tuán)中維持自身。

研究人員總共評估了蓋亞望遠(yuǎn)鏡的日志中的1905顆星體，加上哈勃觀測到的7209顆星體。結(jié)果顯示，它們確實受到了星團(tuán)中某個看不見的巨大質(zhì)量體的引力影響。但這些星體并不是環(huán)繞單個中心點(diǎn)進(jìn)行環(huán)繞，而是“各行其道”。由此可見，影響著星體的暗物質(zhì)并非匯聚一處，而是四散延伸。而并無跡象表明，這個暗物質(zhì)是一個巨型黑洞。

馬蒙在一封郵件中提到，“整個星團(tuán)（NGC6397）的星體運(yùn)行軌道幾乎可以說是隨機(jī)的，而不是有秩序的圓環(huán)或者長橢圓?！?/p>

這些星體的運(yùn)動方式表明了在NGC6397——這個星云中的星云當(dāng)中——有三分之一光年寬廣的地方，存在著相當(dāng)于1800個太陽質(zhì)量的暗物質(zhì)。大約4000顆常見的明亮輕型星體共存于這片廣闊的空間里。根據(jù)恒星演化模型，馬蒙認(rèn)為這片暗物質(zhì)的三分之二應(yīng)該是黑洞，其平均質(zhì)量為20個太陽。剩下的推測是像白矮星和中子星這種星體死亡后留下的殘骸。

天文學(xué)家說，尚不清楚接下來會發(fā)生怎樣的變化。黑洞會在隨機(jī)合并所產(chǎn)生的引力波中喪失質(zhì)量，這樣的結(jié)合還會導(dǎo)致一些黑洞被擠出星團(tuán)之外。此外，引力交互還會讓星團(tuán)中質(zhì)量次之的星體喪失運(yùn)行速度，進(jìn)而陷入星團(tuán)中心部。這個過程稱為“動摩擦”。

“這整個過程會在接下來數(shù)百萬年里把小型黑洞逐漸牽引到星團(tuán)中心地帶去，在那里，它們將彼此合并，形成中介質(zhì)量黑洞，”馬蒙說到。

但馬蒙同時指出，和NGC6397星團(tuán)存在的130億年時光比起來，數(shù)百萬年完全不值一提。因此可以說，天文學(xué)家們在黑洞合并的這段特殊時期內(nèi)剛好展開了對于星團(tuán)的研究，這件事本身就可以說夠走運(yùn)了。現(xiàn)在不存在中介質(zhì)量黑洞，可能意味著它永遠(yuǎn)都不會形成。小型黑洞向星團(tuán)中心部位塌陷的過程也可能因為途中交換能量的星體過少而減弱?！斑@就會阻礙中介質(zhì)量黑洞的形成，”馬蒙認(rèn)為。

維特拉補(bǔ)充說：“此次在中心坍塌球狀星團(tuán)中發(fā)現(xiàn)的不可見密集物質(zhì)，會激發(fā)我們產(chǎn)生更多對于中介質(zhì)量黑洞形成的看法！”