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恐怖的黑洞

根据目前的理论和观测结果,宇宙中的黑洞大致可以分为三类:恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。

超巨型黑洞,质量可达太阳的100亿亿倍,我们能找到这种黑洞吗

这三种黑洞,以质量为标准来划分,同时它们的形成机制以及扮演的角色也有所不同:

  • 恒星级黑洞:质量在太阳的3-100倍之间,可以通过大质量恒星超新星爆发形成,也可以通过恒星级黑洞之间的并合而产生;
  • 中等质量黑洞:质量在太阳的100-100万倍之间,理论上来说完全是通过黑洞之间的并合而形成;
  • 超大质量黑洞:质量在太阳的100万倍以上,通过宇宙早期密集的星际气体坍缩形成,也有可能是通过疯狂地吞噬而形成。

和恒星级黑洞以及中等质量黑洞分布在星系的各个角落不同,超大质量黑洞通常只存在于一个星系的核心处,并且凭借自己恐怖的引力和能量影响着星系的发展。

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在我们银河系的中心,就有这样一个超大质量黑洞,被命名为人马座A*。它的质量大约是太阳的400万倍,它的发现也促成了2020年两位天体物理学家分享了一半的诺贝尔物理学奖。

宇宙中的超大质量黑洞

在宇宙中,人马座A*的质量并不突出。比如科学家在2019年4月份公布的历史上第一张黑洞照片,其中的主角——M87星系中心的超大质量黑洞,质量就达到了惊人的65亿倍太阳质量。

当然,比它还大的黑洞比比皆是。比如Holmberg 15A星系中心的超大质量黑洞,质量达到了太阳的400亿倍!还有位于104亿光年以外的TON 618,质量甚至可能是太阳的660亿倍,这是目前已知宇宙最大的黑洞

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这些黑洞的质量已经足够令我们震惊的了,但科学家们认为,宇宙中可能还有一种更加巨大的黑洞。这种理论上的黑洞远远超过了超大质量黑洞所能企及的质量,因此被科学家们起了更加震人心魄的名字——超巨型黑洞(简称SLABs)。

伦敦玛丽皇后大学的天文学家Bernard Carr向我们介绍了这种黑洞:“尽管暂时还没有证据可以证明这种黑洞确实存在,但这样的推测并非不合理,它们或许分布在星系以外的星际空间,而这会带来一些有趣的观测结果。”

同时,他也表达了其他科学家对这种天体的忽略引起了他的困惑:“可是到目前为止,SLABs仍然极少得到重视,这太令人惊讶了。我们已经提出了这些SLABs可能的形成途径,希望这项工作能够激发同行们的热烈讨论。”

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超级黑洞的形成

实际上,阻止科学家们思考这种天体的原因之一,就在于我们没有合适的理论来解释它们的形成,所以Carr等人才首先从SLABs的形成理论入手来引起同行的注意。

即使是超大质量黑洞的形成过程,目前也仍然是个谜。

  • 疯狂饕餮

就像我们开篇介绍的,有一部分科学家认为超大质量黑洞就是从普通的黑洞通过不断的吞噬,将周围的恒星、气体和尘埃等物质饕餮,然后成长到了如此惊人的规模。同时,它们也可以通过黑洞之间的并合,甚至是星系碰撞时超大质量黑洞之间的并合而迅速成长。

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根据科学家的推测,这样形成的黑洞,质量上限大约是太阳的500亿倍。如果黑洞质量超过这个临界值,那么它的吸积盘可能就会不复存在,黑洞也将因为失去物质来源而停止生长

但是,这个理论面临着一个巨大的问题,那就是科学家目前已经在宇宙早期发现了大量的超大质量黑洞,当时宇宙的寿命无法支持它们成长得如此迅速。就比如TON618,大约形成于宇宙大爆炸的34亿年后,它如何在不足34亿年的时间里获得超过660亿倍的太阳质量,实在难以想象且不太合理。

  • 原初黑洞

还有一种可能,那就是原初黑洞形成的超大质量黑洞。

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原初黑洞是霍金在1966年提出的概念,指的是在宇宙大爆炸初期,因为物质过于密集,就会形成无数的原初黑洞。原初黑洞普遍非常小,最小的尺寸甚至只有质子那么大,这种黑洞会在很短的时间里通过霍金辐射而蒸发;其中大的部分,由于不是通过恒星坍缩形成,所以没有质量限制,所以可以形成看起来恐怖的超大质量黑洞,并一直保留到今天。

寻找超大型黑洞

正是在这个理论中,科学家们计算出黑洞的质量上限甚至可能比我们观测到最大的黑洞还要惊人得多。他们发现,这样形成的黑洞,可以达到太阳质量的1000亿倍以上,最大甚至可以达到太阳质量的100亿亿倍,也就是10的18次方倍!

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要知道,银河系的质量也只有太阳的1.5万亿倍左右。如果这样的恐怖黑洞真的存在,它的质量将相当于70万个银河系!研究人员计算后发现,如果真的有黑洞的质量达到太阳的100亿亿倍,那么它的史瓦西半径将会达到恐怖的62万光年,同样远远超过了银河系!

即便如此,我们今天也没有发现任何的超大型黑洞。或许就像Carr所推测的那样,它

们处在星系际的空旷区域内,没有物质吞噬,也没有明亮的吸积盘,所以真的是一片漆黑,观测不到。那么,我们该如何寻找呢?

  • 引力透镜法

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Carr指出,引力透镜效应将是一个有力的工具。如果我们发现有些遥远的星系有神秘的光线偏折,但又找不到明确的前景天体,那么造成这种光线偏折的或许就是超大型黑洞的引力场。

  • 暗物质法

目前科学家认为,宇宙中可能充斥着暗物质,它们能够产生引力,但不与可见物质发生其他相互作用,所以目前人类还探测不到。科学家提出了多种暗物质的候选者,其中一个叫做弱相互作用重粒子(WIMPs)。

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Carr认为,如果星系际空间真的存在这么巨大的黑洞,那么这些WIMPs也会在引力的作用下被束缚在它的周围。在这种情况下,WIMPs的浓度过高,会相互撞击并出现湮灭现象,从而产生伽马射线环,这是我们寻找超大型黑洞的一种可能证据。

总之,我们也期待科学家能够发现这种恐怖的黑洞。如果这种天体真的存在,那么这个宇宙将会比我们的想象要更加恐怖和野蛮。

原文链接:http://www.toutiao.com/a6921834209644478988

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