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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    銀河系中心的黑洞群

                    2019-07-17 23:53:00

                      長期以來,天文學家預測在銀河系的中心潛藏著一群黑洞。如今,他們第一次發現了這些黑洞。

                      科學家們了解到,在星系中心有一個質量超大的黑洞,它比太陽大數百萬倍,周圍簇擁著質量不等的較小黑洞。在巨大引力的作用下,普通恒星及其塌縮后產生的殘骸——中子星和白矮星等奇異天體會圍繞著這個超大黑洞旋轉。據推測,超大黑洞周圍會有較小黑洞,它們要么源自于星系中心附近滅亡的巨型恒星,要么就是從更加遙遠的地方遷移過來的。這些黑洞的質量比太陽大10至20倍。

                      因而它們就如同沉重的卵石,會比細沙更容易迅速地沉入水底一樣,擠過周圍質量較小的恒星,到達距離銀河系中心很近的穩定軌道上。

                      自從20世紀70年代以來,研究黑洞形成過程的理論學家們一直都有這樣的預測:星系中心周圍簇擁著成千上萬個黑洞,但它們有一個“邊界”;而在邊界外,黑洞的數量會驟然減少。盡管預測到黑洞是普遍存在的,但是這些黑洞非常暗淡,且極不活躍,在星系中心燦爛星光的照耀下,很難被探測到。

                      利用12年來錢德拉X射線天文臺的檔案資料,哥倫比亞大學天體物理學家查克·黑利帶領一個研究小組首次觀察到了“邊界”跡象。他們在距離銀河系中心幾光年處,發現了12個完全處于銀河系超大質量黑洞的引力范圍內的潛在黑洞。根據這12個黑洞系統的發光和空間分布情況,研究小組估計有1萬至2萬個黑洞圍繞著銀河系中心運轉,但它們絕大多數是看不見的。除了這12個新發現的黑洞外,科學家們在整個銀河系僅僅發現了大約60個黑洞,它們大部分位于遠離銀河系中心的地方。

                      這項研究似乎證實了馬克·莫里斯等理論家的預測。莫里斯是加州大學洛杉磯分校的天體物理學家。他在1993年預測:在銀河系中心周圍,會有數萬個恒星大小的黑洞聚集成一個圓盤。在過去的幾十年中,其他理論家也得出了同樣的初步結論。莫里斯說:“這個觀點是由簡單的牛頓力學原理推導出來的必然結果,從來沒有多少爭議,但唯一關鍵的問題是,這一點很難證明?!倍诶麆t認為:“發現關于銀河系中心擁有大量黑洞的證據,相當于證實了星系動力學領域一個重大而根本的預測。由于我們無法在其他更為遙遠的星系中研究這些過程,因此這些天體還為我們提供了獨一無二的實驗場所,以幫助我們了解大型黑洞和小型黑洞之間是如何發生相互作用的?!?/font>

                      黑利及其研究小組之所以使用錢德拉天文臺的數據,是因為通過X射線進行的對銀河系中心周圍黑洞的觀測,效果最為明顯。黑洞與一顆小質量恒星相互環繞構成的雙星系統會一直釋放X射線,這是不斷被黑洞吸收的恒星物質中的一些能量的釋放形式。最終,恒星會被黑洞完全吞噬。恒星受到黑洞引力的吸引,其物質會在黑洞洞口外圍堆積,形成一個不斷擴大的螺旋形圓盤,即吸積盤。從地球附近的天區進行觀測,吸積盤發出的強烈X射線會顯得異常微弱,每隔5或10分鐘向錢德拉天文臺的光學儀器以逐個光子的形式送一次信號。此外,許多其他X射線源也會跟這種微弱信號混在一起。為了確定這12個黑洞的性質,黑利團隊繪制出其光譜峰值,并跨越不同時段跟蹤觀測了它們的活動,發現其發光模式跟之前觀測到的銀河系其他區域的黑洞雙星系統一致。

                      莫里斯聲稱,這項發現雖然令人興奮,但由于可供分析的光子總數太少,這12個被認定的黑洞中可能有些只是統計學意義上的巧合,也可能只是在發光頻率上恰好跟其他X射線源一致。黑利也承認,在發現的12個X射線源中只有半數肯定是黑洞,而其余6個射線源所表現出的性質也可以解釋為快速旋轉的中子星,即毫秒脈沖星所發出的信號。

                      盡管存在不確定性,沒有參與這項研究的巴塞羅那大學天體物理學家喬迪·米拉爾達-艾斯庫德還是認為,這些研究成果應該能夠對未來的研究產生深遠的影響。他說:“這樣的發現總是會產生目前還無法預測的結果,但一旦得到證實,它將表明在整個宇宙中多數星系的中心同樣存在很多在密度上相似的黑洞?!倍C實這一點,或許要借助錢德拉天文臺再進行長達10年的觀測,或借助其他有望接替錢德拉天文臺的儀器了。

                      若能進一步對這些隱藏在銀河系中心的黑洞展開研究的話,研究引力波的科學家可能會從中獲益良多。在一個多世紀前,愛因斯坦就預測到時空中擁有難以發現的漣漪,最近我們終于觀測到了這些漣漪,而迄今發現的大部分漣漪都可以追溯到數十億年之前正在融合的黑洞。令人難以理解的是,其中多數黑洞體積過大,不易直接由即將滅亡的大質量恒星形成。于是人們又有了另一種假設:異常巨大的黑洞由成群的恒星融合演化而來,這些成群的恒星被稱為“球狀星團”。但按常理推測,這一融合演化過程所需要的時間很長,往往超過了宇宙當前的年齡。莫里斯說:“那該如何解釋呢?眾多科學家對此做出了各種推測,但如今如果證實了有大量的黑洞簇擁在星系中心,那么就會存在某種機制,它可能會使某些黑洞快速生長,快速形成雙星系統,也加快了相互融合?!比裟锼沟耐茢喑闪?,“球狀星團”融合演化過程所需要的時間也就不會超過宇宙的年齡了。

                      黑利認為,科學家們不管用何種方法繼續推進這一研究,結果都能“確定像銀河系這樣的常規星系中心處的黑洞數量”。這對那些研究引力波事件的人來說,具有非凡的價值。因為他們如果想掌握來自星系中心的引力波事件的性質以及數量,他們就需要掌握各種相關信息,而所有這類信息都集中在這個銀河系的中心。

                    本文來自《科學24小時》

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