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質(zhì)量分布間隙難題:麒麟座的新發(fā)現(xiàn)能否揭開小質(zhì)量黑洞之謎

2021/2/1 9:01:23 來源:新浪科技 作者:任天 責(zé)編:懶貓

▲ 新發(fā)現(xiàn)的可能黑洞與麒麟座中的一顆巨星形成了雙星系統(tǒng)。麒麟座又稱獨(dú)角獸座,其名稱“Monoceros”在希臘語中是“獨(dú)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(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?!?/p>

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?!?/p>

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?!?/p>

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,“這場競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?!?/p>

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?!俺滦潜l(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?!百|(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?!叭绻凶有鞘且活w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?!?/p>

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?!?/p>

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?!叭绻娴拇嬖谝粋€(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?!斑@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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