文：娟娟
作者系網(wǎng)易新聞·網(wǎng)易號(hào)“各有態(tài)度”簽約作者
黑洞，這種連光也無(wú)法逃脫的神秘天體，在宇宙中是普遍存在的。天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了有許多黑洞存在于宇宙的強(qiáng)有力的證據(jù)。幸運(yùn)的是，太陽(yáng)系中并沒(méi)有黑洞。天文學(xué)家們估計(jì)，離地球最近的黑洞大約在300光年之外。
黑洞到底是什么？簡(jiǎn)而言之，用物理學(xué)家基普·索恩教授在科普讀物《星際穿越》中的話來(lái)說(shuō)，“它們完全是而且僅僅是由彎曲的時(shí)間和彎曲的空間構(gòu)成的。它們不包含物質(zhì)，但是卻有表面，被稱作事件視界，或簡(jiǎn)稱視界。沒(méi)有東西可以逃離它們，甚至光。這也是它們之所以如此漆黑的原因。黑洞的表面積和質(zhì)量成正比：質(zhì)量越大，表面積越大?！?/span>
圖：黑洞的藝術(shù)概念圖像。Credit: nasa_gallery / Fotolia
盡管黑洞這個(gè)術(shù)語(yǔ)直到1967年才被美國(guó)普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家約翰·惠勒提出，但是關(guān)于宇宙中存在一種無(wú)比致密的天體，以至于光子都無(wú)法逃脫的假說(shuō)卻存在了幾個(gè)世紀(jì)?？茖W(xué)家們并不能用那些探測(cè)x射線、可見(jiàn)光或其他電磁輻射的望遠(yuǎn)鏡直接觀察黑洞，但是，他們可以通過(guò)探測(cè)黑洞對(duì)其附近其他物質(zhì)的影響，推測(cè)黑洞的存在，并進(jìn)行研究。例如，當(dāng)黑洞經(jīng)過(guò)一片星際物質(zhì)時(shí)，它就會(huì)把這片星際物質(zhì)吸入其內(nèi)，這個(gè)過(guò)程叫做“吸積”（accretion）。同樣，如果一個(gè)普通的恒星靠近一個(gè)黑洞，它也會(huì)被強(qiáng)大的引力拉入黑洞的深淵，最后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一顆巨大的恒星就這樣被一個(gè)小小的黑洞吃掉了。隨著黑洞吸引物質(zhì)的加速，其溫度也急劇上升，黑洞就會(huì)向太空中噴發(fā)出大量x射線。
近年來(lái)越來(lái)越多的天文發(fā)現(xiàn)提供了一些非常誘人的證據(jù)，表明黑洞會(huì)對(duì)其附近的物質(zhì)產(chǎn)生某些戲劇性影響，例如，黑洞會(huì)放射出強(qiáng)大的伽馬射線爆發(fā)，毀滅其附近的恒星；在有些區(qū)域，黑洞會(huì)誘發(fā)一些新恒星的生長(zhǎng)，而在另外一些區(qū)域，黑洞可能會(huì)減緩恒星的生長(zhǎng)。
最近幾年，科學(xué)家?guī)状翁綔y(cè)到黑洞合并產(chǎn)生的引力波，更是讓越來(lái)越多的人了解到黑洞這種極為特別的天體的存在。2016年年初，LIGO項(xiàng)目的科學(xué)家向全世界報(bào)告了在2015年9月14日，激光干涉儀重力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）探測(cè)到了兩個(gè)黑洞相互碰撞與合并時(shí)產(chǎn)生的引力波，該引力波信號(hào)被標(biāo)記為“GW150914，根據(jù)LIGO獲得的數(shù)據(jù)估算，在該黑洞合并事件的最后時(shí)刻，產(chǎn)生的最強(qiáng)烈引力波釋放的能量瞬間幾乎相當(dāng)于整個(gè)可觀測(cè)宇宙中所有恒星釋放能量總和的10倍。2016年6月，LIGO合作組織又宣布，2015年12月26日，兩臺(tái)引力波探測(cè)器又探測(cè)到一個(gè)引力波信號(hào)，和上次的引力波信號(hào)相同，這次的引力波也來(lái)自兩個(gè)黑洞的合并。但第一次的信號(hào)來(lái)自兩個(gè)稍重黑洞的合并，第二次的信號(hào)來(lái)自約14億光年外，兩個(gè)更常見(jiàn)的、恒星質(zhì)量黑洞的合并。LIGO第一次探測(cè)到的融合后的黑洞質(zhì)量約為62倍太陽(yáng)質(zhì)量，第二次的融合黑洞約為21倍太陽(yáng)質(zhì)量。LIGO的第三次探測(cè)，被稱為GW170104，發(fā)生時(shí)間是2017年1月4日，和前兩次的情況一樣，這次探測(cè)到的引力波也是兩個(gè)黑洞合并形成一個(gè)更大的黑洞時(shí)所產(chǎn)生的。通過(guò)合并產(chǎn)生的新黑洞，具有約49倍的太陽(yáng)質(zhì)量。
今天帶來(lái)的有關(guān)黑洞的新消息或許又令很多人咋舌，一個(gè)由哥倫比亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的天體物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了十幾個(gè)黑洞，聚集在銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞——人馬座A*（Sagittarius A*）的周圍。這一新的發(fā)現(xiàn)似乎為科學(xué)家們更好地理解宇宙開辟出了大量的新機(jī)會(huì)。
哥倫比亞天體物理學(xué)家Chuck Hailey是哥倫比亞天體物理實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合主任，也是該研究的主要作者，他說(shuō)：”如果你想了解大黑洞與小黑洞相互作用的方式，你就可以通過(guò)研究這種分布來(lái)學(xué)習(xí)?！薄般y河系是我們唯一可以研究超大質(zhì)量黑洞如何與小黑洞相互作用的唯一星系，因?yàn)槲覀儫o(wú)法看到其他星系中的這種相互作用?！?/span>
這項(xiàng)研究發(fā)表在4月5日的《自然》雜志上。
二十多年來(lái)，研究人員一直在苦苦尋找證據(jù)來(lái)支持一個(gè)理論，即成千上萬(wàn)的黑洞聚集在大型星系中心的超大質(zhì)量黑洞（SMBHs）周圍，但是多年來(lái)一直未獲得成功。
Hailey說(shuō)：“在整個(gè)銀河系里人們已知的黑洞只有五六十個(gè)，”“但是在一個(gè)6光年寬的區(qū)域里應(yīng)該有1萬(wàn)到2萬(wàn)個(gè)這樣的東西，”他解釋到，人馬座A*周圍有一個(gè)氣體塵埃暈，這種環(huán)境為大質(zhì)量恒星的誕生提供了完美的溫床，大質(zhì)量恒星可以在那里產(chǎn)生、死去，然后變成黑洞。另外，這個(gè)氣暈外部的黑洞，被認(rèn)為會(huì)受到超大質(zhì)量黑洞的影響，被拉到超大質(zhì)量黑洞附近，在那里被超大質(zhì)量黑洞的引力俘獲。雖然大多數(shù)被困在那里的黑洞仍然是孤立的，某些也會(huì)捕獲恰巧經(jīng)過(guò)的恒星形成一個(gè)黑洞雙星系統(tǒng)，研究人員認(rèn)為，這些孤立的和位于雙星系統(tǒng)中的黑洞會(huì)在星系中心大量聚集，形成一個(gè)密度尖端，隨著距離超大質(zhì)量黑洞越近而變得越擁擠。
為了尋找銀心超大質(zhì)量黑洞附近的小黑洞，Hailey和他的同事認(rèn)為他們需要尋找更暗淡但更穩(wěn)定的X射線源。因?yàn)楫?dāng)黑洞與低質(zhì)量恒星共同形成雙星系統(tǒng)時(shí)，它們會(huì)釋放較弱的x射線爆發(fā)，這種爆發(fā)是穩(wěn)定的并且可探測(cè)的。Hailey和同事們轉(zhuǎn)向錢德拉X射線天文臺(tái)的檔案數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試他們的技術(shù)。他們搜索了活躍狀態(tài)下的黑洞-低質(zhì)量恒星雙星系統(tǒng)的X射線特征，并在人馬座A*周圍3光年的范圍內(nèi)找出了12個(gè)這樣的雙星系統(tǒng)。
研究人員隨后分析了已確定的雙星系統(tǒng)的特性和空間分布，并從他們的觀測(cè)中推斷，人馬座A*周圍必定存在著300到500個(gè)黑洞-低質(zhì)量恒星雙星系統(tǒng)，和大約10000個(gè)孤立的黑洞。
相信隨著這一重要理論得到驗(yàn)證，有關(guān)引力波的研究也會(huì)得到很大推進(jìn)，我們期待新的研究成果出爐。
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