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宇宙中有多少黑洞?天文学家:至少40万亿颗,而且还在增加
2022/2/10 15:54:04 | 浏览:891 | 评论:1

对目前的科学界来说,黑洞绝对算得上是最神秘的天体。

宇宙中有多少黑洞?天文学家:至少40万亿颗,而且还在增加

虽然爱因斯坦早在20世纪初就在广义相对论中预言了黑洞的存在,但天文学界直到2019年才拍到了第一张真实的黑洞照片,也就是5500万光年外的M87星系中心黑洞,质量为太阳的65亿倍。

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这张好似蜂窝煤一般的照片所表现出的黑洞本体和吸积盘,也宣告了天文学界目前的黑洞外围理论是正确的。

但宇宙中究竟有多少个黑洞呢?

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以往这个问题是无法被回答的,因为黑洞不像星系和恒星一样能被望远镜直接看见,天文学家想确认黑洞的存在,只能去分析恒星的运动轨迹,如果发现一颗恒星在绕一个“肉眼不可见”的引力源运动的话,就证明这颗恒星周围存在黑洞。

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这种发现一颗记录一颗的方法,显然不可能统计出全宇宙的黑洞,所以天文学界采用了估计法,他们认为占宇宙质能总量5%的普通物质,也就是可见物质,至少有1%被吞噬到了黑洞中。

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这1%被黑洞吞噬的质量,按照黑洞质量分布去分配的话,大约是40,000,000,000,000,000,000个,也就是说宇宙中至少存在40万亿个黑洞。

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看到这里你也许会觉得这个数字有点夸大了,但其实一点都不夸张,因为在直径930亿光年的可观测宇宙里,天文学家估计至少存在2万亿个星系,每个星系的中央基本上都有一颗超大质量黑洞。

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至于剩下的38万亿个黑洞,主要由大质量恒星晚年坍塌而成,在平均每个星系都有上千亿颗恒星的情况下,2万亿个星系内的恒星加起来,是完全能产生38万亿个黑洞的,因为两者根本就不在一个量级上。

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不过由于我们的太阳属于中等质量的黄矮星,所以50亿年后并不会变成黑洞,而是会变成一颗每立方厘米质量达到数吨的白矮星,数千亿甚至数万亿年后,这种白矮星还会冷却为黑矮星。

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但相比大质量恒星晚年坍塌成黑洞的“清楚明晰”,天文学界对于超大质量黑洞的形成,目前还是一头雾水。

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因为星系中心的超大质量黑洞,往往具有几百万甚至几百亿个太阳质量,如此巨大的质量绝不可能是恒星坍塌而来的,也不可能是由众多小黑洞融合而来的。

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思来想去只有一种可能,那就是这些星系中心的超大质量黑洞属于“原初黑洞”,是在宇宙大爆炸不久后就诞生的第一批黑洞。

但宇宙大爆炸为什么会产生黑洞呢?

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这个问题广义相对论可以回答,因为黑洞在广义相对论中就是“质量堆积于时空一点”的产物,而大爆炸恰恰就是“能量转化为质量”的过程,在138.2亿年前大爆炸那一刻,能量分布伴随着时空的剧烈膨胀而变得不均匀。

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当这种“不均匀”超过一定限度后,就会在引力作用下发生坍塌,成为宇宙中第一批黑洞,同时由于大爆炸的能量是有史以来最大的,所以产生的原初黑洞质量也大得惊人,绝非后来的恒星级黑洞能比。

这些质量巨大的原初黑洞,后来就成为了每个星系中心的超大质量黑洞,但仅靠这些原初黑洞是无法掌控星系内数千亿颗恒星的。

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拿银河系来举例,银河系中心440万倍太阳质量的超级黑洞人马座A*,是绝无可能凭借一己之力维持银河系内1000亿到4000亿颗恒星的引力平衡的,银河系之所以能保持稳定而不是分崩离析,很大程度上是因为遍布银河系内外的暗物质,是它们提供了额外的质量和引力,充当了星系内的粘合剂。

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银河系中心的超大质量黑洞,其实主要影响的是附近的球状星团和其他黑洞,而非直径18万光年的银河系本身,银心区域的人马座A*以及稠密的球状星团和游荡黑洞,这三者加起来产生的引力聚合体才是银河系真正的定盘星。

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总体而言

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为了真正解开黑洞之谜,我们还需要寻找更多黑洞才行,但无论如何,科学家相信我们似乎已经迎来了开始破解黑洞之谜的时代。

相关讯息:靠近进入黑洞会发生什么?必然有更高一级的物体定律适应黑洞 

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起初,黑洞理论在物理学界引起一片哗然,他们企图否认黑洞的存在,因为黑洞似乎打破了所有的物理定律,时间停止了,引力变得无限大,这真是个噩梦。我们显然不能将人类送到靠近黑洞的地方,当时机器人当然可以,机器人探测器可以在即将越过黑洞边缘时传回数据,黑洞的这一边缘叫做事件视界,至少在我们已知的宇宙中,它是时空的边缘。我们将时间视界如此命名,只是因为它将空间一分为二。它不是一个物理表面,如果你正在穿过它,可能甚至无法察觉,可你一旦坠落其中,便掉进了万劫不复的深渊。

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你接近事件视界时,引力开始增强,奇异的情形也开始显现。当你先以双脚坠入黑洞时,脚离黑洞更近,所以感受到的引力更强。你的头部离黑洞较远,所以感受到的引力较小,这时你就被拉长了,你的双脚受到的牵引力大于头部,你就像被两个壮汉拉伸的糖稀。你变得越来越细长,离黑洞越来越近,这个过程被形象地成为意大利面条效应,因为你变成了一根又细又长的面条。

引力将把我们的机器人探测器拉伸到极限,然后将其撕碎。但试想一下,如果探测器足够坚固,能幸存下来并继续前行,那将会发生什么呢?一旦它靠近事件视界,一切都将颠覆常理,引力大到了极点,时间戛然而止。我们认为时间永无止尽,但是在黑洞中,时间真的停止了。这听起来有点滑稽之谈,但黑洞确实如此,符合科学计算,它其实是宇宙之网的一部分。

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如果你从远处遥望,机器人探测器靠近黑洞时,似乎慢了下来,然后看起来完全停止了脚步,整个过程可能十分短暂,但从外面看,探测器似乎坠落的更慢了,趋于静止。你其实永远不可能看到物体落入黑洞的全过程,它在黑洞表面停止了,因为它的时钟和你的相比无限缓慢。事实上探测器并没有停下脚步,它仍在前进并穿过事件视界。如果探测器将镜头向后转动,朝向黑洞入口,它将看到光线被吸了进来。如果它将镜头对准前方,起初看到的只有黑暗。但是随着它继续向着黑洞的核心前行,就会达到宇宙中最奇异的地方,黑洞巨大的引力将一切拉到位于中心的小点上,科学家称之为奇点。我们确实不知道黑洞的中心发生着什么。那里的密度非常高,以至于我们所知的所有物理定律都被打破了。

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奇点使时空失去意义,引力无限增大,而现在这一定义变得荒诞不经,奇点变成了“我不知道”,“毫无头绪”的同义词。直到现在科学家也无法回答黑洞究竟是什么。有些令人沮丧的是宇宙中存在违背物理定律的物体,必然存在更高一级的定律适用于黑洞,并为黑洞所遵循,但是我们现在还未找到答案。

我们唯一能确定的是黑洞诞生于垂死的恒星,而大多数黑洞的直径只有30公里。科学家们发现有些黑洞更为庞大,它们叫做超大质量黑洞,与整个太阳系的大小相当,甚至其中之一就潜伏在银河系的中心。

相关讯息 | NASA宣布:达特茅斯学院科学家发现超大质量黑洞形成的线索 

宇宙中有多少黑洞?天文学家:至少40万亿颗,而且还在增加

【参考:NASA的YouTube动画“Quick Look:‘Mini’ Monster Black Hole Could Hold Clues to Giant's Growth”】

NASA于1月10日宣布,由达特茅斯学院的研究员Jack・Parker等人领导的研究小组利用钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory)的观测数据,在矮星系Mrk 462中发现了一个质量是太阳20万倍的超大质量黑洞。这在超大质量黑洞之中属于轻量级。

研究小组称本次的发现可以作为解开位于银河系中心的超大质量黑洞的形成之谜的线索。

矮星系是由数十亿个以下的恒星组成的小型星系,Mrk 462就是其中之一。而本次在Mrk 462中发现的轻量级超大质量黑洞则埋藏于灰尘和气体之中。

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【Mrk462的图像。背景是由泛星计划(Pan-STARRS)望远镜拍摄的可见光图像。方块中是钱德拉X射线天文台拍摄的X射线图像(Credit:X-ray:NASA/CXC/Dartmouth Coll./J. Parker & R. Hickox; Optical/IR:Pan-STARRS)】

由于超大质量黑洞不断吞噬周围的气体和尘埃,其温度极高,就会发出强烈的X射线,不过X射线的穿透力很强,可以穿透气体和尘埃。该小组利用钱德拉X射线天文台观察这些X射线,并取得了本次的发现。到目前为止,科学家们很少发现矮星系中被隐藏于气体和尘埃后面的超大质量黑洞。

而据研究小组称,这一发现为过去的超大质量黑洞的形成之谜提供了线索。

过去的研究表明,质量高达太阳10亿倍的超大质量黑洞,在宇宙诞生后不到10亿年就形成了。

那么,质量为太阳10亿倍的超大质量黑洞是如何在如此短的时间内形成的呢?

有一种观点称,存在于早期宇宙中的一颗巨大恒星坍缩成一个约为太阳质量100倍的黑洞后通过吸积和合并成长(译者姑且称之为恒星坍缩说)。还有一种观点说,巨大的气体云和尘埃(gigantic clouds of gas and dust.)跳过了形成恒星的这一阶段,直接坍缩形成了质量为太阳质量数万倍的黑洞(译者姑且称之为气体坍缩说)。

研究小组认为,因为恒星坍缩成的黑洞在各星系中普遍存在,所以如果大多数矮星系都存在超大质量黑洞(即使其为轻量级),如Mrk 462,那么恒星坍缩说就会更合理。但巨大的气体云和尘埃坍缩的条件在矮星系中并不普遍,所以如果只有少数矮星系存在超大质量黑洞,则气体坍缩说会更合理。

Jack・Parker评论说:“我们不能只根据一个例子来决定其形成机制,需要更大范围地寻找矮星系中埋藏在气体和尘埃中的超大质量黑洞。

(牧夫)

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cesasc说:留言于2022-02-24 15:26:20(第1条)
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Date: February 19, 2022
Time: 1:30 pm PST (Los Angeles), 4:30 pm EST (New York)
How to Join:Join Zoom Meeting
https://us02web.zoom.us/j/7622220889?pwd=ME1UZTFZRmp2MG0vOFBtcUVuV2kvQT09
Meeting ID: 762 222 0889
Passcode: STEM-0518
Before the seminar at 1:30 pm PST, we will have a brief review of the previous talk, starting at 1:00 pm PST, February 19, 2022.

About the Speaker Dr. Jonathan H. Jiang
Dr. Jonathan H. Jiang is a Principal Scientist of Engineering and Science Directorate at the Jet Propulsion Laboratory (JPL), California Institute of Technology, and the Supervisor of JPL Aerosol and Cloud Group, managing a team of more than 30 scientists, engineers, associates, and postdoctoral scholars. He is also serving as an Editor for the American Geophysical Union’s Journal of Earth and Space Science, and he is the elected Chair of the American Metrological Society’s Committee on Atmospheric Chemistry.

Dr. Jiang has over 200 research publications in the field of satellite remote sensing, atmospheric and climate sciences, and astrophysics. He has been twice awarded the NASA Exceptional Achievement Medals in 2010 and 2013, for his leadership and innovation in scientific research using NASA satellite observations. Most recently, Dr. Jiang received the 2019 Ed Stone Award and the 2019 NASA Exceptional Scientific Achievement Medal for his outstanding scientific achievement and service to the NASA missions.
contact: info@cesasc.org
 
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