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1916年,德國天文學家史瓦西通過愛因斯坦的引力場方程,計算出了一個真空解。這個解如此離奇,以至於未來一百年的時間,人類都在為這個解而著迷。 這個解,就是黑洞。 黑洞的分類 我們已經知道,黑洞擁有著絕對的引力。任何進入視界範圍的物質,都永遠不可能再離開黑洞。無論吸收多少物質,黑洞都能把它們完全壓縮到一個一維的點內,這個點就是奇點。也就是說,無論吸收多少物質,黑洞的奇點不會變,只有視界範圍會改變。因此,用直徑來形容黑洞,無法探究到它的本質。唯有質量,才能從根本上描述黑洞。 可就是在利用質量來描述黑洞時,科學家發現了問題。 ... 通常來說,我們認為黑洞來自於大質量恆星的死亡。在發生超新星爆發後,內核坍縮,變成了黑洞。這種黑洞,我們叫做恆星級黑洞。 目前我們發現的最大質量恆星是R136a1,質量大約是太陽的256 ~ 315倍之間。而它的內核,也只占了一部分。因此,按照恆星死亡產生黑洞的理論來說,其質量超過太陽3倍是沒問題的(這是黑洞的質量下限),不過最大也只有太陽質量的幾十倍。 可是,當我們把望遠鏡對準宇宙的時候,卻發現了奇怪的現象。恆星級黑洞確實存在,符合了理論。但是宇宙中還有大量的超大質量黑洞。它們的質量動輒是太陽的幾百萬倍,甚至最大的已經有太陽質量的660億倍! 黑洞缺失的一環 更詭異的是,在恆星級黑洞和超大質量黑洞之間,竟然有一個巨大的斷檔,就像進化論缺失的一環。我們發現了大量的恆星級黑洞,也記錄了許多超大質量黑洞,但是卻幾乎從未發現過質量在太陽100倍到100萬倍之間的黑洞! ... 我經常用下面這個比喻來形容這件事的詭異之處:這就類似於你走在大街上,發現街上要麼是體重不到100斤的人,其餘的全都是300斤以上的大胖子,完全找不到100-300斤之間的人。 見了鬼了。 你說,300斤的胖子是哪來的呢?總不能duang一下就出來吧?按照我們的理解,他們總該是從100斤養到300斤的。怎麼,一頓飯吃200斤,瞬間養成?顯然不可能。所以,只要是養起來的,那總該有個過渡期啊。 同樣的道理,超大質量黑洞到底是怎麼來的呢?它們到底是不是恆星級黑洞成長起來的呢?如果是,那二者之間的中等質量黑洞去哪了呢?有人說,超大質量黑洞可能不是恆星級黑洞長成的。可是,這也不能說明中等質量黑洞不存在的原因,因為這不妨礙恆星級黑洞的繼續成長。只要繼續成長,總有一天會變成中等質量黑洞。 ... 因此,找這些「200斤的胖子」,就成了科學家們的重點工作之一。他們把望遠鏡對準了宇宙,在茫茫宇宙中,像大海撈針一樣,尋找中等質量黑洞。 中等質量黑洞發現史 2006年,研究人員在觀測宇宙時,發現了一個詭異的X射線源——3XMM J215022.4-055108。這個X射線源的能量太高,超出了普通黑洞的能力,所以顯然不是恆星級黑洞。而從位置上看,它們又並不是像通常的超大質量黑洞一樣處於星系的核心。 對於這個發現,科學家非常興奮,他們認為這很有可能是人們一直在尋找的目標——傳說中的中等質量黑洞。於是,他們把最先進的望遠鏡對準了它。 一個不行,就兩個一起找,兩個不夠,就三個一起上。 於是就有了世界上最牛的三臺望遠鏡的強強聯合,構成了人類太空望遠鏡的「三叉戟」。這三臺望遠鏡分別是著名的哈勃太空望遠鏡、錢德拉X射線望遠鏡,以及XMM-牛頓衛星。很多人不太了解最後一個望遠鏡,前不久我們剛剛發布過XMM-牛頓衛星拍攝到黑洞IRAS 13224–3809的動圖,也就是下面這張: ... 那麼,三臺望遠鏡是怎麼合作的呢? 太空「三叉戟」 首先,科學家利用哈勃太空望遠鏡精確定位了它的位置,確定了它並不是位於銀河系內,而是在一個遙遠河外星系的恆星團內——這正是科學家認為中等質量黑洞最有可能出現的地方。 接下來的工作,就要交給錢德拉和XMM-牛頓了。為什麼呢?我們說過,哈勃太空望遠鏡的最大短板,就是只能觀測可見,而黑洞可以吸收掉附近的一切可見光,所以至此,就不是哈勃的工作了。而物質在被黑洞吞噬的時候,會釋放出X射線。正所謂滷水點豆腐,一物降一物,錢德拉和XMM-牛頓都是X射線望遠鏡,通過捕獲這些X射線,就可以對它進行深入研究。 ... 巧的是,它的周圍恰好又有一顆恆星,成為了它新的獵物。恆星的物質在它強大的引力下,像瀑布的落水一樣落入黑洞的視界範圍內,釋放出強大的X射線。就像利用落水的拋物線可以計算重力等數據一樣,恆星物質落入黑洞的數據讓科學家可以很好地推測黑洞的質量。 結果顯示,3XMM J215022.4-055108 的質量大約是太陽的50000倍——一顆完美的中等質量黑洞!黑洞缺失的一環,終於被填上了! 其他中等質量黑洞 實際上,這並不是人類發現的第一個中等質量黑洞。 早在2003年的時候,XMM-牛頓衛星就發現了一個X射線源——NGC 1313 X-1。當時科學家推測,它是一個質量為太陽質量5000±1000倍的中等質量黑洞。不過,直到現在,他們還沒確定它的真實身份。 2009年,研究人員在約2.9億光年以外的ESO 243-49星系邊緣附近觀測到了另一個X射線源——HLX-1。同樣的,科學家也推測它是一顆中等質量黑洞,質量在太陽的500-20000倍之間。 ... 不過,相對比較可靠的中等質量黑洞的發現,是去年年初的時候。 日本國立天文臺的天文學家竹川俊也在銀河系的中心,發現了極有可能是中等質量黑洞的天體。這是一團詭異的氣體雲,距離銀河系中心的超大質量黑洞——人馬座A*僅有20光年。這團氣體雲的運動方式非常詭異,像是在圍繞什麼在運動。根據它的運動規律,可以推測其圍繞的天體質量超過太陽的30000倍。這麼小的範圍內有這麼大的質量,恐怕也只有黑洞能夠做到,如果這個推測不錯,那它的質量顯然就是中等質量黑洞。 未來的研究 而我們今天說的這一次,可靠性遠超過前面三次,基本可以確定它的身份。 負責這次研究的科學家——美國新罕布夏大學的林大成(Dacheng Lin,音譯)表示,以往推測黑洞的質量,都是通過黑洞的光度來粗略估算,所以誤差可能會比較大——可以看到,前兩次對質量的推測,誤差範圍大得一逼。而這一次的方法相對比較直接,因此數據也更精確一些。 ... 更重要的是,這次發現為科學家打開了一扇大門,讓本來難以尋找的中等質量黑洞更容易被發現。只有發現得更多,我們才能對它有更多的了解,才能更好地了解黑洞的演化。 畢竟,即使中等質量黑洞已經被發現,我們仍然沒有完全確定超大質量黑洞是怎麼形成的。它們到底是通過恆星級黑洞成長而來的,還是有獨特的出生方式,仍然懸而未決。 就像先賢說的一樣,知識越豐富,不會讓我們覺得自己越睿智,反而會讓我們越感到自己的無知。隨著黑洞的秘密越來越多被發現,幾乎可以確定越來越多的新的謎題會呈現在我們面前。人類對於黑洞探索的終點到底在哪,誰也不知道…… 茫茫人海,相遇不易,如果你對科學感興趣,請關注我,我們不要走散,好嗎? 相關文章:人類歷史上第一張黑洞動圖來了~歐洲天文臺利用最新設備繪製
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