宇宙花园中丢失的黑洞种子

  • 小编 发布于 2019-11-24 02:41:32
  • 栏目:科技
  • 来源:潇泗儿
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宇宙花园中丢失的黑洞种子

在宇宙的大花园里,最重的黑洞是从种子里长出来的。这些种子通过它们消耗的气体和尘埃,或者通过与其他致密天体的结合,在大小和重量上不断增长,形成星系的中心,比如我们自己的银河系。但与植物不同的是,巨大黑洞的种子也一定是黑洞。但至今还没有人找到这些种子。

其中一个想法是,超大质量黑洞——相当于数十万至数十亿个太阳质量——是由一个从未见过的更小的黑洞组成的。这个难以捉摸的群体,即“中等质量黑洞”,大约有100到100,000个太阳。在迄今发现的数百个黑洞中,有大量相对较小的黑洞,但在中等质量范围的“沙漠”中却没有确定的。

科学家们正与nasa的强大太空望远镜以及其他天文台合作,以追踪与这些奇异实体描述相符的遥远天体。他们已经发现了几十个可能的候选者,并正在努力确认他们是黑洞。但即使他们这样做了,这也揭开了一个全新的谜团:中等质量的黑洞是如何形成的?

“令人着迷的是,为什么人们花了这么多时间试图找到这些中等质量的黑洞,因为它揭示了在早期宇宙中发生的过程——那些遗迹黑洞的质量,或者是我们还没有想到的新的黑洞形成机制,”加州帕萨迪纳的加州加州理工学院的物理学教授Fiona Harrison说,他也是nasa nustar任务的主要调查员。

黑洞101

黑洞是空间中一个极其稠密的物体,没有任何光线能从中逸出。当物质落入黑洞时,它就没有出路了。一个黑洞吃得越多,它的质量和大小就越大。

黑洞的类型

1-100太阳质量=恒星质量

100至100,000太阳质量=中等质量黑洞

100,000至数十亿个太阳质量=超大质量黑洞

最小的黑洞称为“恒星质量”,质量在太阳的1到100倍之间。它们是由恒星在被称为超新星的剧烈过程中爆炸而形成的。

另一方面,超大质量黑洞是大星系的中心锚--例如,我们的太阳和银河系中的所有其他恒星围绕着一个质量约410万太阳质量的黑洞——人马座a*运行。一个更重的黑洞——高达65亿太阳质量——成为了“银河系干扰者87”(m87)的核心。m87的超大质量黑洞出现在来自事件视界望远镜的著名图像中,首次显示出一个黑洞及其“影子”。这个阴影是由事件视界引起的,黑洞的点是不返回的,以其强烈的重力弯曲和捕捉光。

超大质量黑洞的周围往往有被称为“吸积盘”的物质盘,由极热的高能粒子组成,当它们靠近事件视界时会发出明亮的光芒——黑洞的不归之地。那些因为吃了很多而使他们的圆盘发光的被称为“活动星系核”。

创造黑洞所需的物质密度令人难以置信。要使黑洞的质量达到太阳质量的50倍,你必须把相当于50个太阳的物体打包成一个直径不到200英里(300公里)的球。但就m87的核心来说,它就像65亿太阳被压缩成一个比冥王星轨道还宽的球。在这两种情况下,密度都很高,以至于原始物质必须塌缩成一个奇点——时空结构的裂缝。

黑洞起源之谜的关键在于它们生长速度的物理极限。甚至在星系中心的巨大怪物也对它们的摄食狂热有限制,因为一定数量的物质被来自在事件视界附近加速的热粒子的高能辐射所击退。例如,通过吃周围的物质,一个低质量的黑洞可能只能够在3000万年内使它的质量增加一倍。

“如果你从50个太阳质量开始,你根本不能在10亿年内把它扩大到10亿个太阳质量,”史密森天体物理天文台,剑桥,马萨诸塞州和莫斯科州立大学的天体物理学家Igor Chilingarian说。但是,“正如我们所知,宇宙形成后不到10亿年,就存在着超大质量黑洞。”

如何制造一个你看不见的黑洞

在宇宙历史的早期,一个中等质量黑洞的种子可能是由大型致密气体云的塌缩或超新星爆发形成的。在我们宇宙中爆炸的第一批恒星的外层都有纯氢和氦,更重的元素集中在核心。这是一个比爆炸的现代恒星大得多的黑洞的配方,现代恒星被外层的重元素“污染”,因此通过恒星的风失去了更多的质量。

Tod Strohmayer说:“如果我们在宇宙早期形成具有100个太阳质量的黑洞,其中一些应该合并在一起,但基本上你应该产生一个完整的质量范围,然后其中一些应该还在周围。”马里兰州格林贝尔德美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家。"那么,他们在哪里,如果他们确实形成?"

中间质量的黑洞可能仍然存在的一个线索来自美国国家科学基金会的激光干涉仪引力波天文台,ligo,加州理工学院和麻省理工学院的合作。ligo探测器,与意大利的一个欧洲设施vigo结合,在时空的波纹中发现了许多不同的黑洞合并,称为引力波。

2016年,利戈宣布了半个世纪以来最重要的科学发现之一:首次引力波探测。特别是,位于路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿的汉福德的探测器接收到了两个黑洞合并的信号。这些黑洞的质量:分别是太阳质量的29倍和36倍,科学家们对此感到惊讶。虽然它们在技术上还不是中等质量的,但它们足够大,足以引起人们的注意。

他们在哪里?

在中等质量的沙漠寻找黑洞是很棘手的,因为黑洞本身不会发光。然而,科学家们可以使用精密的望远镜和其他仪器来寻找具体的指示信号。例如,由于物质在黑洞上的流动不是恒定的,被消耗的物质的碰撞会导致环境中光线输出的某些变化。这样的变化在较小的黑洞中可以比在较大的黑洞中更快地看到。

Chilingarian说:“在一个小时的时间尺度上,你可以进行观测运动,对于经典的活动星系核来说,这需要几个月的时间。”

最有希望的中等质量黑洞候选者被称为hlx-1,质量大约是太阳质量的20,000倍。hlx-1代表“超发光的x射线源1”,它的能量输出比类太阳恒星要高很多。它是澳大利亚天文学家Sean Farrell于2009年利用欧洲空间局的xmm-牛顿x射线空间望远镜发现的。2012年的一项研究使用了nasa的哈勃和快速太空望远镜,发现了一组年轻的蓝色恒星围绕这个天体运行的迹象。它可能曾经是被更大的星系eso 243-49吞噬的矮星系的中心。许多科学家认为hlx-1是一个已经证实的中等质量黑洞,哈里森说。

“它发出的x射线的颜色,以及它的行为方式,与黑洞非常相似,”哈里森说。“很多人,包括我的团队,都有找到像hlx-1一样的东西的程序,但到目前为止还没有一个是一致的。但狩猎仍在继续"

不太明亮的物体可能是中等质量的黑洞,被称为超光x射线源,或是alxs。一种被称为ngc 5408x-1的闪烁的ulx对于寻找中等质量黑洞的科学家来说特别有趣。但是nasa的nustar和钱德拉x射线天文台却让科学家们感到惊讶,因为它们揭示了许多ulx天体不是黑洞,而是脉冲星,它们是极其密集的恒星残骸,看起来像灯塔一样在脉冲。

m82x-1,银河m82中最亮的x射线源,是另一个非常明亮的天体,似乎在符合中等质量黑洞的时标上闪烁。这些亮度的变化与黑洞的质量有关,是由在吸积盘内区域附近的轨道物质引起的。2014年的一项研究研究了x射线的具体变化,估计m82x-1的质量约为400个太阳。科学家们利用nasa的罗西x射线计时探测器(rxte)卫星的存档数据来研究这些x射线亮度变化。

最近,科学家们研究了一个更大的中间质量黑洞。在2018年,Chilingarian和他的同事们通过重新分析斯朗数字天空调查的光学数据,并将最初的前景与钱德拉和xmm-牛顿的x射线数据相匹配,对10名候选者进行了描述。他们现在在智利和亚利桑那州用地面望远镜追踪。西班牙空间科学研究所的Mar Mezcua领导了另一项2018年的研究,也是利用钱德拉的数据,发现了40个在矮星系中生长的黑洞,这些黑洞可能在这个特殊的中等质量范围内。但Mezcua和他的合作者认为,这些黑洞最初形成于巨云的塌缩,而不是源于恒星的爆炸。

下一步是什么?

矮星系是值得继续寻找的有趣地方,因为在理论上,较小的星系可以容纳质量远低于在像我们这样的大星系中心发现的黑洞。

出于同样的原因,科学家们也在寻找球状星团——位于银河系和其他星系外围的恒星的球形密度。

Strohmayer说:“在这样的星系中,可能存在这样的黑洞,但如果它们没有积聚大量物质,可能很难看到它们。”

中等质量的黑洞猎人急切地等待着nasa的詹姆斯韦伯太空望远镜的发射,它将回到第一批星系的黎明。webb将帮助天文学家找出哪一个是最先出现的星系或它的中心黑洞,以及黑洞是如何组合在一起的。结合x射线观测,webb的红外数据将对识别一些最古老的黑洞候选者非常重要。

俄罗斯航天局roscosmos在7月推出的另一个新工具是光谱x-γ,这是一个将用x射线扫描天空的航天器,它携带着与美国航空航天局马歇尔太空飞行中心(nasa marshall)一起开发和建造的带有镜子的仪器。来自ligo-virgo合作的引力波信息也将有助于搜索,欧洲空间局计划中的激光干涉天线(lisa)任务也是如此。

除了现有的仪器和技术外,这些新仪器和技术还将帮助天文学家继续在宇宙花园中搜寻黑洞的种子和我们自己的星系。

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