北京時(shí)間 2 月 1 日消息，小質(zhì)量黑洞無處可尋，天文學(xué)家甚至懷疑它們根本就不存在。近日，包括麒麟座(Monoceros，又稱獨(dú)角獸座)黑洞在內(nèi)的一系列發(fā)現(xiàn)，為解開這個(gè)長(zhǎng)達(dá)十年之久的謎團(tuán)帶來了希望。
大約十年前，美國亞利桑那大學(xué)的天體物理學(xué)家費(fèi)婭爾 · 厄澤爾及其同事注意到一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。盡管天文學(xué)家在銀河系中發(fā)現(xiàn)了各種各樣的可能黑洞，但似乎沒有一個(gè)黑洞的規(guī)模低于一定大小。“似乎找不到質(zhì)量低于 5 倍太陽質(zhì)量的黑洞，”厄澤爾說，“從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講，這是非常顯著的。”
2010 年，費(fèi)婭爾 · 厄澤爾發(fā)表了一篇關(guān)于這個(gè)問題的論文，但直到現(xiàn)在，即使激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)和室女座引力波探測(cè)器(Virgo)已經(jīng)識(shí)別出數(shù)十個(gè)隱藏的黑洞，這個(gè) “質(zhì)量分布間隙”難題也一直沒有得到解釋。
隨著時(shí)間的過去，厄澤爾等天體物理學(xué)家開始思考：小型黑洞究竟是很難發(fā)現(xiàn)，還是根本就不存在?美國西北大學(xué)的天體物理學(xué)家、LIGO 團(tuán)隊(duì)的主要成員維姬 · 卡洛吉拉說：“重要的是要通過觀測(cè)來確定這個(gè)質(zhì)量分布間隙究竟是真實(shí)的，還是觀測(cè)時(shí)的人為因素導(dǎo)致的。”
近期的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)中的人為因素可能才是導(dǎo)致質(zhì)量分布間隙的原因。在過去的兩年里，研究人員發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)可能處于質(zhì)量間隙的黑洞。而在 2021 年 1 月的早些時(shí)候，天文學(xué)家披露了其中可能是最能夠說明問題的證據(jù)：一個(gè)具有 2.9 倍太陽質(zhì)量，被昵稱為 “獨(dú)角獸”(the unicorn)的天體。
在 LIGO 之前，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)黑洞的主要方式是尋找黑洞吸入附近恒星物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的 X 射線，或是探測(cè)黑洞對(duì)雙星系統(tǒng)中另一顆恒星的引力效應(yīng)。探測(cè) “獨(dú)角獸”黑洞的研究人員采用了后一種方法，專注于探測(cè)一個(gè)距離地球約 1000 光年、名為 “麒麟座 V723”(V723 Monoceros)的系統(tǒng)。他們利用多臺(tái)太空望遠(yuǎn)鏡，包括目前正在繪制銀河系中數(shù)十億顆恒星位置的蓋亞衛(wèi)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(cè)衛(wèi)星(TESS)，對(duì)其中一顆紅巨星的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究。
研究人員得出的結(jié)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(duì)黑暗伴星最簡(jiǎn)單的解釋是，這是一個(gè)單一的致密天體，最有可能是一個(gè)處于‘質(zhì)量分布間隙’的黑洞。”
如果這一發(fā)現(xiàn)得到證實(shí)，將有助于闡明大質(zhì)量恒星在生命結(jié)束時(shí)所呈現(xiàn)的細(xì)微差別。當(dāng)一顆巨星耗盡燃料時(shí)，其質(zhì)量會(huì)向內(nèi)流動(dòng)，核心也會(huì)坍縮。如果進(jìn)入核心的物質(zhì)爆炸并克服恒星引力的話，它就會(huì)爆發(fā)成超新星;但如果質(zhì)量太大，恒星就會(huì)繼續(xù)坍縮，形成黑洞。
“這是爆炸發(fā)生和黑洞形成之間的競(jìng)賽，”近期這項(xiàng)研究的合著者、美國俄亥俄州立大學(xué)的理論天體物理學(xué)家托德 · 湯普森說，“這場(chǎng)競(jìng)賽必須在大約一秒內(nèi)分出勝負(fù)。如果它在那一秒內(nèi)沒有爆炸，就會(huì)形成黑洞。如果爆炸了，則會(huì)留下一顆中子星。”
究竟是什么決定了一顆恒星是爆發(fā)成超新星還是坍縮成黑洞，目前尚不清楚。“超新星爆發(fā)的實(shí)際物理過程是一個(gè)巨大的未知數(shù)，”湯普森說，黑洞的質(zhì)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(jīng)在質(zhì)量分布間隙中獲得了一些初步發(fā)現(xiàn)。德國哥廷根大學(xué)的本杰明 · 蓋澤爾及其同事在 2018 年發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能的 4.4 倍太陽質(zhì)量黑洞，而在 2019 年，托德 · 湯普森和同事發(fā)現(xiàn)了一個(gè) 3.3 倍太陽質(zhì)量的黑洞。
2020 年，LIGO 的科學(xué)家宣布探測(cè)到一個(gè)質(zhì)量是太陽 2.6 倍的天體，這是一個(gè)非常吸引人的可能黑洞，其質(zhì)量剛好處于質(zhì)量分布間隙中。“質(zhì)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(zhì)量下，天文學(xué)家很難區(qū)分黑洞和中子星的區(qū)別，因?yàn)楹笳呃碚撋峡梢岳鄯e到 3 個(gè)太陽質(zhì)量的最大值。根據(jù)不同的條件，中子星也可能會(huì)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(huì)表現(xiàn)得非常明顯，”美國德克薩斯理工大學(xué)的黑洞和中子星專家湯姆 · 馬卡羅內(nèi)說，“但如果不是指向你，就很難把它與黑洞相區(qū)分。”
不過，LIGO 最近發(fā)現(xiàn)的這些黑洞仍未得到證實(shí)，麒麟座 V723 也是如此。“它看起來很有希望，”費(fèi)婭爾 · 厄澤爾說，“我認(rèn)為他們的方法是合理的，分析也很仔細(xì)。至于它可能是什么，還有其他一些可能性，但他們得出的結(jié)論——它最有可能是一個(gè) 2.9 倍太陽質(zhì)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(gè)系統(tǒng)可能不是一個(gè)雙星系統(tǒng)，而是一個(gè)三星系統(tǒng)，缺失的質(zhì)量來自兩個(gè)較小的天體。馬卡羅內(nèi)表示，如果麒麟座 V723 真的存在一個(gè)黑洞，那它應(yīng)該會(huì)把物質(zhì)從它的伴星上拉走，并產(chǎn)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(nèi)說。
該天體本身的質(zhì)量也存在不確定性。雖然最準(zhǔn)確的估計(jì)是 2.9 倍太陽質(zhì)量，但研究作者表示，它的質(zhì)量可能在 2.6 倍至 3.6 倍太陽質(zhì)量之間。“這個(gè)范圍太寬了，我們無法確定這是不是一顆中子星，”LIGO 團(tuán)隊(duì)的維姬 · 卡洛吉拉說，“在觀測(cè)中，我們還沒有任何方法來區(qū)分這是中子星還是黑洞。”
如果這一發(fā)現(xiàn)被證明不是黑洞，特別是如果其他候選黑洞也經(jīng)不起審查的話，那么，也許根本就不會(huì)形成低于 5 倍太陽質(zhì)量的黑洞。這一結(jié)論如果成立，將對(duì)我們理解超新星的物理機(jī)制有重要的意義。“如果真的存在一個(gè)質(zhì)量分布間隙，就意味著存在某種非常快速的爆炸機(jī)制，”馬卡羅內(nèi)說，“我們還不清楚是什么推動(dòng)了超新星爆發(fā)，以至于對(duì)可能發(fā)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(zhì)量分布間隙中等待被發(fā)現(xiàn)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(gè)的話，或許就能理解是什么過程導(dǎo)致了這些小質(zhì)量黑洞。”
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