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多少恒星成黑洞?4000億億個(gè),!

來源:科技日?qǐng)?bào) 作者:吳純新 符曉波 2022年02月08日 09:20

  知道了宇宙中恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的總數(shù),,可以幫助人類進(jìn)一步理解宇宙“巨型怪獸”是如何從“輕種子”黑洞生長起來的,進(jìn)而可以讓人們對(duì)恒星演化,、星系演化等基本天體物理過程有更深刻的認(rèn)識(shí),,對(duì)雙黑洞系統(tǒng)的形成渠道有更清楚的分辨,對(duì)雙星演化涉及的物理過程有更好的理解,。

  黑洞,,宇宙中最神秘的天體之一,它的起源和形成講述著宇宙的過去和未來,。黑洞在宇宙中占比多少,?對(duì)宇宙有多大影響?科學(xué)家一直在尋找答案。

  不久前,,來自意大利國際高等研究院(SISSA)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在《天體物理學(xué)雜志》上撰文稱,,他們首次計(jì)算出恒星級(jí)質(zhì)量黑洞在整個(gè)宇宙中的數(shù)量及分布情況。他們估計(jì),,宇宙中恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的數(shù)量達(dá)到了4000億億個(gè),。

  天文學(xué)家迫切希望摸清黑洞“家底”

  據(jù)悉,研究人員通過黑洞誕生的幾率,、恒星質(zhì)量,、星系的金屬豐度等多個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)估得到了恒星級(jí)質(zhì)量黑洞數(shù)據(jù)。

  “恒星級(jí)質(zhì)量黑洞是大質(zhì)量恒星演化到終結(jié)的產(chǎn)物,,它的數(shù)量中隱含著恒星,、雙星形成和演化以及星系形成和演化的信息?!比A中科技大學(xué)物理學(xué)院教授雷衛(wèi)華表示,,研究這些黑洞的數(shù)量和質(zhì)量分布,對(duì)于理解星系和宇宙的結(jié)構(gòu)及演化具有重要意義,,因此宇宙中究竟有多少個(gè)黑洞,,也是現(xiàn)代天體物理學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)域最希望解決的問題之一。

  一般而言,,通過質(zhì)量可以將黑洞劃分為恒星級(jí)質(zhì)量黑洞,、中等質(zhì)量黑洞以及超大質(zhì)量黑洞三類。

  現(xiàn)有理論認(rèn)為,,恒星級(jí)質(zhì)量黑洞,,即5倍—150倍太陽質(zhì)量的黑洞,是恒星走向壽命終點(diǎn)后坍塌而成,,這些黑洞互相之間也常發(fā)生并合事件,,并合后的黑洞質(zhì)量更大。但是科學(xué)家仍不明確,,那些超大質(zhì)量黑洞到底是怎樣發(fā)展而來,。

  科學(xué)研究表明,很多星系中心都“隱藏”著百萬到百億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞,,它們是宇宙中的“巨型怪獸”,,而它們與星系之間存在著緊密聯(lián)系,其中幾千到百萬倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞被認(rèn)為是形成這些宇宙“巨型怪獸”的“重種子”,,而恒星級(jí)質(zhì)量黑洞則是形成宇宙“巨型怪獸”的“輕種子”,。因此,探測出兩類“種子”的數(shù)量及分布是研究超大質(zhì)量黑洞形成的理論基礎(chǔ),。

  那么,,宇宙中是否存在幾千到百萬倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞,?雷衛(wèi)華表示目前也只有一些觀測上的初步證據(jù),實(shí)際中等質(zhì)量黑洞是否存在尚不清楚,。但是,,對(duì)于解釋一些出現(xiàn)在早期宇宙(宇宙誕生后8億年內(nèi))中超過10億倍太陽質(zhì)量的黑洞來說,中等質(zhì)量黑洞的存在具有決定性意義,。未來空間引力波探測或許會(huì)給出答案,,告訴我們到底有沒有中等質(zhì)量黑洞,以及有多少中等質(zhì)量黑洞,。

  雷衛(wèi)華介紹,,隨著望遠(yuǎn)鏡探測能力不斷提升,人類對(duì)宇宙的探測越來越深,,與黑洞相關(guān)的很多現(xiàn)象都發(fā)生在宇宙學(xué)尺度,科學(xué)家觀測這些現(xiàn)象所獲得的天體性質(zhì)也是在宇宙尺度上的,,“估算跨越宇宙演化歷程的黑洞分布和數(shù)量對(duì)于解釋超大質(zhì)量黑洞具有決定性作用,,對(duì)天體物理研究是非常有意義的?!崩仔l(wèi)華說,。

  黑洞無法直接觀測該如何計(jì)數(shù)

  黑洞引力非常大,無論是物質(zhì)還是輻射,,甚至光都難以從黑洞內(nèi)部逃脫,,也正因?yàn)槿绱耍祟悷o法直接看到它們,??蒲腥藛T表示,黑洞無法直接觀測,,但可以借由一些間接方式得知黑洞的存在與質(zhì)量,。例如,借由物體被黑洞吸入前因黑洞引力帶來的加速度而導(dǎo)致的摩擦放出的射線信息,,可以推測出黑洞的存在,,也可借由間接觀測恒星或星際云氣團(tuán)繞行軌跡來獲取黑洞的位置以及質(zhì)量。

  要估計(jì)宇宙中究竟存在多少個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞,,關(guān)鍵要弄清恒星級(jí)質(zhì)量黑洞在宇宙演化過程中的分布情況,,這在天文學(xué)中被稱為黑洞的質(zhì)量函數(shù)。事實(shí)上,,測算黑洞數(shù)量,,還可以使用雙星演化數(shù)據(jù)、其他不同的理論模型,,或基于引力波探測的結(jié)果來估計(jì)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的分布,,進(jìn)而得到宇宙中黑洞的數(shù)量,。

  此次最新研究中,研究團(tuán)隊(duì)利用自己開發(fā)的恒星和雙星演化代碼并結(jié)合宇宙演化歷程中星系物理性質(zhì)的統(tǒng)計(jì),,得到了恒星級(jí)質(zhì)量黑洞在整個(gè)宇宙演化歷程中的質(zhì)量分布,。由此結(jié)果,人們便可以估算出目前整個(gè)可觀測宇宙中恒星級(jí)黑洞的總數(shù)量,。

  雷衛(wèi)華解釋,,具體而言,首先需要基于已有的觀測知識(shí)給出宇宙演化歷程中星系的性質(zhì),,其中包括會(huì)對(duì)恒星和雙星演化產(chǎn)生顯著影響的恒星形成率,、恒星質(zhì)量分布和金屬豐度分布等物理量。其次,,利用代碼來追蹤這些恒星或雙星的演化過程,。

  “只有那些大質(zhì)量的恒星才能在其生命盡頭發(fā)生超新星爆發(fā)并坍縮為黑洞,對(duì)于雙星系統(tǒng),,其伴星可能在演化中已經(jīng)被拋射出去或被摧毀,,演化為孤立黑洞,也有可能形成雙黑洞系統(tǒng),,并輻射引力波,。”雷衛(wèi)華說,,這項(xiàng)計(jì)算還考慮了雙黑洞系統(tǒng)由于輻射引力波而最終并合形成更大質(zhì)量黑洞,,從而導(dǎo)致黑洞的質(zhì)量分布變化的情況。

  基于黑洞質(zhì)量分布的估計(jì),,雖然得到宇宙中黑洞的數(shù)量大得驚人,,但其總質(zhì)量仍只占宇宙中普通物質(zhì)的1%左右。其中,,超大質(zhì)量黑洞所占更少,。雷衛(wèi)華解釋,通常一個(gè)星系只有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞,,這表明大部分的普通物質(zhì)仍存在于星云中,,這里是恒星誕生的地方。這些普通物質(zhì)將繼續(xù)驅(qū)動(dòng)著恒星的誕生和演化,,并影響星系的結(jié)構(gòu)和演化,。

  知曉黑洞總數(shù)科學(xué)意義重大

  知道了宇宙中恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的總數(shù),可以幫助人類進(jìn)一步理解宇宙“巨型怪獸”是如何從“輕種子”黑洞成長起來的,,進(jìn)而可以讓人們對(duì)恒星演化,、星系演化等基本天體物理過程有更深刻的認(rèn)識(shí),對(duì)雙黑洞系統(tǒng)的形成渠道有更清楚的分辨,,對(duì)雙星演化涉及的物理過程有更好的理解,。

  雷衛(wèi)華說,,恒星級(jí)質(zhì)量黑洞是明亮X射線源、超新星爆發(fā),、短時(shí)標(biāo)伽馬射線暴和千新星等高能天體物理現(xiàn)象的中心天體,,了解黑洞的數(shù)量和質(zhì)量分布,會(huì)加深我們對(duì)這些天體現(xiàn)象及其物理本質(zhì)的理解,,對(duì)這些劇烈爆發(fā)事件的發(fā)生做出預(yù)判,。而這些高能現(xiàn)象也是生產(chǎn)宇宙中重元素的“工廠”,對(duì)人類進(jìn)一步理解生命的起源也至關(guān)重要,。

  此外,,雙黑洞系統(tǒng)是重要的低頻和高頻引力波源,是“天琴”“太極”等空間引力波探測器和地面引力波探測器的目標(biāo)源,,對(duì)黑洞分布的進(jìn)一步了解,,將幫助人類在更高精度研究黑洞物理、限制宇宙學(xué)參數(shù),,以及檢驗(yàn)引力理論,。

  研究團(tuán)隊(duì)將恒星和雙星演化模型與宇宙演化歷程中星系物理性質(zhì)結(jié)合起來,這種研究思路受到相關(guān)學(xué)界普遍認(rèn)可,,其測算結(jié)果也與地面引力波探測器估計(jì)的結(jié)果基本吻合。但也有研究人員指出,,研究中用到了很多簡化和假設(shè),,例如只考慮了孤立恒星和雙星演化形成黑洞的途徑。而形成黑洞的其他渠道,,例如星團(tuán),、活動(dòng)星系核吸積盤等并未考慮在內(nèi)。這些渠道對(duì)較大質(zhì)量的恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的形成也很重要,?;蛟S未來將有更多關(guān)于黑洞的研究揭示更多黑洞的秘密。

(責(zé)編:范婉璐)