目睹了一個黑洞的形成?

2022年02月04日10:20

  宇宙中有多少個黑洞?

  根據一項最新的研究,在宇宙整體普通(重子)物質中,約有1%被鎖在了恒星質量的黑洞中。令人驚訝的是,研究人員還估計出,目前在可觀測宇宙中,黑洞的數量約為40,000,000,000,000,000,000個。

  在過去的幾年里,黑洞領域接連取得重大突破,我們不僅首次直接探測到黑洞併合時產生的引力波,還拍攝到了位於星系中心的超大質量黑洞的真實照片。

  但是關於黑洞,我們仍然有太多事情不清楚。其中一個最大的謎團就是,它們最初究竟是如何形成的。

  近日,一組研究團隊認為,他們已經觀測到了這個過程。研究人員觀測到了一類與眾不同的宇宙爆發事件,它可以為黑洞形成時發生的事情提供一些線索。研究結果已於近日發表在《自然》和《天體物理學雜誌》的兩篇論文中。

  黑洞的形成理論

  在恒星一生中的大部分時間里,其核心核聚變反應產生的向外壓力會與向內的引力相抗衡,使恒星保持穩定。然而,一旦恒星的燃料耗盡,核聚變反應停止,引力就會佔據上風。恒星的內層會在引力作用下向內坍縮,並擠壓到一種超常的密度。

  大多數時候,當恒星的核心凝結成一個富含中子的固體球時,這種災難性的坍縮就會停止。這導致了一種強大的反彈爆發,摧毀了恒星,也就是所謂的超新星爆發,最終留下一個被稱為中子星的奇異天體。

  但如果最初的恒星質量足夠大,坍縮就會一直持續下去,直到恒星被壓成一個引力奇點,一個黑洞便形成了。

  雖然現在在整個宇宙中經常觀察到恒星坍縮形成中子星的過程,但天文學家還不能完全確定,在坍縮成黑洞時會發生什麼。

  一些悲觀的模型表明,整個恒星會被吞噬,幾乎不留一絲痕跡。但還有人提出,坍縮成黑洞的過程會產生一些其他類型的爆發。例如,如果恒星坍縮時在旋轉,一些向內掉落的物質可能會被集中到以高速逃逸出恒星的噴流中。雖然這些噴流不會包含很大質量,但它們可以帶來很大的衝擊力。如果它們撞上了什麼東西,就釋放的能量而言,造成的影響可能相當巨大。

  如果我們能從觀測到的類似爆發現象中發現一些線索,或許就有機會更好地瞭解黑洞形成的過程。這也是天文學家努力的目標。

  最佳候選現象

  到目前為止,黑洞誕生時產生的爆發的最佳候選現象,是一種被稱為長時間伽馬射線暴的奇怪現象。

  這類事件最早是在20世紀60年代由軍用衛星發現的。科學家推測,這種現像是由於坍縮恒星中新形成的黑洞將噴流加速到令人難以置信的速度而引起的。

  然而,這種設想的情景一直以來存在一個問題,那就是,伽馬射線暴也會排出大量會持續閃耀數月的放射性碎片。這表明,恒星的大部分似乎是向外爆發到太空中(就像普通的超新星那樣),而不是向內坍縮成黑洞。雖然這並不意味著黑洞不可能在這樣的爆發中形成,但一些研究人員認為還應該有更自然的解釋。例如,一顆超級磁化的中子星可能在這樣的爆發中形成,並產生強大的噴流。

  現在,新研究最近發現了一個(在他們看來)更好的創造黑洞的新候選事件。在2019年和2021年,研究團隊在兩個距離均約10億光年之外的星系,觀測到了一種異常快速的、轉瞬即逝的爆發類型,它們源於少量極快速移動的物質猛烈衝擊其鄰近環境中的氣體。

  這類爆發非常難研究,因為它們發生的時間太短了,因此也常被稱為暫現源,在整個宇宙中非常難找到。

  在過去幾年,科學家不得不連續使用幾個天文台來描述這些爆發的特徵,包括借助茲威基瞬變設施發現它們,利用利物浦望遠鏡和北歐光學望遠鏡來確認它們的性質,以及大型高解像度的天文台(哈勃空間望遠鏡、雙子座天文台和甚大望遠鏡)來分析它們的組成。

  團隊通過光譜學,也就是一種將光分解成不同波長的技術,他們推斷出了每個事件中爆發的恒星的成分。

  結果發現,這些光譜與沃爾夫-拉葉星(WR型星)非常相似。這是一類質量極大、高度演化的恒星,以最早發現它們的兩位天文學家查爾斯·沃爾夫(Charles Wolf)和喬治·拉葉(Georges Rayet)命名。

  令人興奮的是,這些結果甚至可以幫助研究人員排除“正常”超新星爆發的可能性。結果顯示,一旦快速移動的物質和環境之間的碰撞停止,光源實際上就消失了,而不是持續地發光。而這種情況,正是在恒星核心坍縮期間,恒星只噴射出少量的物質,其餘部分的物質向內坍縮成一個巨大的黑洞時,會發生的現象。

  並不是唯一的可能

  雖然研究團隊目前傾向於認為這可能是黑洞形成時發生的現象,但它並不是唯一的可能性。

  比如,最“乏味”的一種可能性是,這是一次普通超新星爆發,但在碰撞中形成了一個巨大的塵埃殼,將放射性碎片隱藏在了視野之外。還有一種可能,這次爆發是一種我們不熟悉的新類型,源自我們不熟悉的恒星。

  為了回答這些問題,科學家還需要尋找更多這樣的天體,來自類似事件的更多數據可能很快能幫助驗證或證偽這種假說。它們還能幫助確定這些事件與其他類型的不尋常的快速爆發之間的聯繫。

  但無論如何,科學家相信,我們似乎已經迎來了開始破解黑洞之謎的時代。

  #創作團隊:

  原文作者:Daniel Perley(利物浦約翰摩爾斯大學天體物理學講師)

  編譯:Måka

  排版:雯雯

  #參考來源:

  https://theconversation.com/black-holes-we-think-weve-spotted-the-mysterious-birth-of-one-174726

  https://www.eurekalert.org/news-releases/940381

  #圖片來源:

  封面圖/首圖:原理

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