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質量分布間隙難題:麒麟座的新發現能否揭開小質量黑洞之謎

2021/2/1 9:01:23 來源: 作者:任天 責編:懶貓

▲ 新發現的可能黑洞與麒麟座中的一顆巨星形成了雙星系統。麒麟座又稱獨角獸座,其名稱“Monoceros”在希臘語中是“獨角獸”的意思。這張描繪該星座的插圖來自于1824年出版的《烏拉尼亞之鏡》

北京時間 2 月 1 日消息,小質量黑洞無處可尋,天文學家甚至懷疑它們根本就不存在。近日,包括麒麟座(Monoceros,又稱獨角獸座)黑洞在內的一系列發現,為解開這個長達十年之久的謎團帶來了希望。

大約十年前,美國亞利桑那大學的天體物理學家費婭爾 · 厄澤爾及其同事注意到一個奇怪的現象。盡管天文學家在銀河系中發現了各種各樣的可能黑洞,但似乎沒有一個黑洞的規模低于一定大小。“似乎找不到質量低于 5 倍太陽質量的黑洞,”厄澤爾說,“從統計學上講,這是非常顯著的。”

2010 年,費婭爾 · 厄澤爾發表了一篇關于這個問題的論文,但直到現在,即使激光干涉引力波天文臺(LIGO)和室女座引力波探測器(Virgo)已經識別出數十個隱藏的黑洞,這個 “質量分布間隙”難題也一直沒有得到解釋。

隨著時間的過去,厄澤爾等天體物理學家開始思考:小型黑洞究竟是很難發現,還是根本就不存在?美國西北大學的天體物理學家、LIGO 團隊的主要成員維姬 · 卡洛吉拉說:“重要的是要通過觀測來確定這個質量分布間隙究竟是真實的,還是觀測時的人為因素導致的。”

近期的一項研究發現,觀測中的人為因素可能才是導致質量分布間隙的原因。在過去的兩年里,研究人員發現了幾個可能處于質量間隙的黑洞。而在 2021 年 1 月的早些時候,天文學家披露了其中可能是最能夠說明問題的證據:一個具有 2.9 倍太陽質量,被昵稱為 “獨角獸”(the unicorn)的天體。

在 LIGO 之前,天文學家發現黑洞的主要方式是尋找黑洞吸入附近恒星物質時產生的 X 射線,或是探測黑洞對雙星系統中另一顆恒星的引力效應。探測 “獨角獸”黑洞的研究人員采用了后一種方法,專注于探測一個距離地球約 1000 光年、名為 “麒麟座 V723”(V723 Monoceros)的系統。他們利用多臺太空望遠鏡,包括目前正在繪制銀河系中數十億顆恒星位置的蓋亞衛星,以及美國國家航空航天局的系外行星搜尋凌日系外行星勘測衛星(TESS),對其中一顆紅巨星的運動進行了研究。

研究人員得出的結論是,這顆紅巨星似乎正在與一顆看不見的伴星 “共舞”。他們寫道:“對黑暗伴星最簡單的解釋是,這是一個單一的致密天體,最有可能是一個處于‘質量分布間隙’的黑洞。”

如果這一發現得到證實,將有助于闡明大質量恒星在生命結束時所呈現的細微差別。當一顆巨星耗盡燃料時,其質量會向內流動,核心也會坍縮。如果進入核心的物質爆炸并克服恒星引力的話,它就會爆發成超新星;但如果質量太大,恒星就會繼續坍縮,形成黑洞。

“這是爆炸發生和黑洞形成之間的競賽,”近期這項研究的合著者、美國俄亥俄州立大學的理論天體物理學家托德 · 湯普森說,“這場競賽必須在大約一秒內分出勝負。如果它在那一秒內沒有爆炸,就會形成黑洞。如果爆炸了,則會留下一顆中子星。”

究竟是什么決定了一顆恒星是爆發成超新星還是坍縮成黑洞,目前尚不清楚。“超新星爆發的實際物理過程是一個巨大的未知數,”湯普森說,黑洞的質量分布間隙 “可能是這一過程的重要線索。”

到目前為止,研究人員已經在質量分布間隙中獲得了一些初步發現。德國哥廷根大學的本杰明 · 蓋澤爾及其同事在 2018 年發現了一個可能的 4.4 倍太陽質量黑洞,而在 2019 年,托德 · 湯普森和同事發現了一個 3.3 倍太陽質量的黑洞。

2020 年,LIGO 的科學家宣布探測到一個質量是太陽 2.6 倍的天體,這是一個非常吸引人的可能黑洞,其質量剛好處于質量分布間隙中。“質量間隙黑洞的最可能例子來自 LIGO,”湯普森說。

然而,在如此 “低”的質量下,天文學家很難區分黑洞和中子星的區別,因為后者理論上可以累積到 3 個太陽質量的最大值。根據不同的條件,中子星也可能會變暗。“如果中子星是一顆光束指向你的脈沖星,它的一些特征會表現得非常明顯,”美國德克薩斯理工大學的黑洞和中子星專家湯姆 · 馬卡羅內說,“但如果不是指向你,就很難把它與黑洞相區分。”

不過,LIGO 最近發現的這些黑洞仍未得到證實,麒麟座 V723 也是如此。“它看起來很有希望,”費婭爾 · 厄澤爾說,“我認為他們的方法是合理的,分析也很仔細。至于它可能是什么,還有其他一些可能性,但他們得出的結論——它最有可能是一個 2.9 倍太陽質量的黑色天體——在我看來似乎很合理。”

并非所有人都如此肯定。首先,這個系統可能不是一個雙星系統,而是一個三星系統,缺失的質量來自兩個較小的天體。馬卡羅內表示,如果麒麟座 V723 真的存在一個黑洞,那它應該會把物質從它的伴星上拉走,并產生 X 射線。“從黑洞的角度來說,它的 X 射線光度非常微弱,”馬卡羅內說。

該天體本身的質量也存在不確定性。雖然最準確的估計是 2.9 倍太陽質量,但研究作者表示,它的質量可能在 2.6 倍至 3.6 倍太陽質量之間。“這個范圍太寬了,我們無法確定這是不是一顆中子星,”LIGO 團隊的維姬 · 卡洛吉拉說,“在觀測中,我們還沒有任何方法來區分這是中子星還是黑洞。”

如果這一發現被證明不是黑洞,特別是如果其他候選黑洞也經不起審查的話,那么,也許根本就不會形成低于 5 倍太陽質量的黑洞。這一結論如果成立,將對我們理解超新星的物理機制有重要的意義。“如果真的存在一個質量分布間隙,就意味著存在某種非常快速的爆炸機制,”馬卡羅內說,“我們還不清楚是什么推動了超新星爆發,以至于對可能發生的事件存在較大的理論偏差。”

但如果麒麟座 V723 的黑洞真的存在,那它可能只是質量分布間隙中等待被發現和研究的眾多黑洞之一。“這就是這篇論文令人興奮的地方,”厄澤爾說,“如果我們能知道更多這樣的天體,而不止是一兩個的話,或許就能理解是什么過程導致了這些小質量黑洞。”

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關鍵詞:宇宙黑洞

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