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黑洞的种类

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黑洞的种类

科学家从理论上论证,黑洞有不同的种类。有宇宙大爆炸时形成的微型黑洞,质量1015克以下的已蒸发完,较大的现在正在蒸发;由大质量恒星死亡后坍缩形成的小型黑洞;还有星系中心的巨型黑洞。

无论从哪个方面,球状星团都是非常引人注目的所在。它们的平均直径只有100光年,但密度极高,聚集着多达100万颗恒星。此外,它们都非常古老,历史可追溯到银河系诞生之初。根据一项新研究,球状星团是搜寻具备太空探索能力的先进外星文明的理想所在。

是否有一种可能即星系只不过是超大质量的原行星盘(盘中心的“凸起”即为“太阳”的诞生)?如果真的是这样的话,根据现有理论可知有一个黑洞在我们银河系的中心,那么也是否可能存在一个迷你黑洞在太阳的中心呢?

20世纪80年代以来,科学家已发现许多黑洞,主要是星系中心的巨型黑洞,它们有几百万甚至几十亿个太阳的质量,也有几个到几十个太阳质量的小黑洞,但没有发现微型黑洞,也不知道在小型黑洞和巨型黑洞之间是否有中型黑洞。

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正如上面所提到的,螺旋星系和原行星盘是有些相似之处,比如它们都有着圆盘般的外表。而且圆盘形成背后的物理过程在两种情况下都是相同的:即塌缩形成星系的物质和塌缩形成恒星或行星的物质都必须具有角动量。

2000年8月,钱德拉X射线望远镜在M82星团中心发现一个极明亮的天体,亮度有轻微波动,哈佛-史密森天体物理中心推测那里存在一个中型黑洞。 2002年9月17日,在美国航宇局的新闻发布会上,天文学家斯·西左德松宣称发现了“缺少的一环”——中型黑洞。两个中型黑洞是哈勃空间望远镜在两个球状星团中心分别发现的。如果能得到最后确认,就只有微型黑洞没有被发现了。

漩涡星系M106伪色图像,结合了韦斯特博克综合孔径射电望远镜的中性氢数据和加拿大-法国-夏威夷望远镜的光学数据,黄圈处是科学家观测到的球状星团

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Dailygalaxy网站2016年1月报道称,根据哈佛-史密森尼天体物理学中心的罗赞·迪斯特法诺进行的研究,球状星团可能是银河系内外星智能生命的第一个发现地。无论从哪个方面,球状星团都是非常引人注目的所在。它们的平均直径只有100光年,但密度极高,聚集着多达100万颗恒星。此外,它们都非常古老,历史可追溯到银河系诞生之初。根据一项新研究,球状星团是搜寻具备太空探索能力的先进外星文明的理想所在。

哈伯太空望远镜拍摄明亮的NGC 3810影像,清晰的演示经典的螺旋臂结构。图片创建:ESA/HST和NASA。

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哈勃望远镜拍摄的漩涡星系M106,距银河系2200万到2500万光年

透过阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列首次观察到位于金牛座HL的原行星盘。

在距银河系2200万到2500万光年的漩涡星系M106(也被称之为NGC 4258),由墨西哥研究员率领的一支国际科学小组发现M106球状星团的旋转速度与M106盘内气体相同。根据它们的盘状排列和速度,科学家认为这些遥远天体可能是宇宙全盛时期的遗迹。

这样,圆盘一样的外表就形成了。事实上,星盘的形成是天文天体普遍存在的特征:环绕行星的星环,围绕黑洞的吸积盘,原行星盘和螺旋星系盘都是角动量发挥作用的例子。不幸的是,这种相似性并不意味着我们的太阳中心有一个迷你黑洞。黑洞可以看作是密度无穷大的时空区域。

球状星团是非常古老的天体,形成于115亿年前,也就是大爆炸后23亿年,宇宙的恒星形成速度达到峰值前不久。墨西哥国立自治大学射电天文学与天体物理学研究所的天体物理学家罗萨·阿米莉·冈萨雷斯-洛佩兹利拉表示:“这个时期被称之为宇宙全盛期。球状星团的亮度极高,可以从很远的地方进行观测。这意味着观测球状星团能够为我们提供一系列线索,帮助我们了解星系在宇宙全盛期如何形成和演化。”

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位于M87中心的超大质量黑洞,推估质量达太阳的数十亿倍。这是人类史上第一张直接对黑洞观测的天文影像,由事件视界望远镜所拍摄,发表于2019年4月10日。

加那利大型望远镜,是位于西班牙拉帕尔玛岛上的一架10米口径的大型反射望远镜

然而,我们拿最好的太阳模型来说,太阳的中心密度大约是每厘米150克,这是远远小于无穷大的。此外,一个比太阳小的黑洞会对围绕它的太阳物质施加强大的潮汐力(事实证明黑洞越小,潮汐力越强),我们没有证据证明存在这种规模大小的潮汐力。

冈萨雷斯-洛佩兹利拉等人的新研究利用了加那利大型望远镜,研究论文刊登在5月1日的《天体物理学杂志》上。冈萨雷斯-洛佩兹利拉指出球状星团的恒星数量在10万到100万之间。它们是较为常见的天体,尤其是在大型星系。“银河系存在160个球状星团,超大星系存在数万个球状星团。通常情况下,它们呈球形分布,内部所有恒星的年龄大致相同,化学构成也比较接近。我们不知道这些星团如何形成。一种假设认为,它们在星系之前形成;另一种假设认为两者一同形成;还有一种假设认为某些球状星团是星系合并过程中气体对撞的产物。”

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图: 潮汐力造成银河对的合并 MRK 1034.

银河系球状星团NGC 6139,座落于天蝎座,聚集着数十万颗百亿岁恒星

最后,我们对黑洞形成机制的理解并不包括在恒星中心形成微型黑洞的方式-这样的黑洞必须是大爆炸的残余(或者是由我们尚未发现的方式形成),在这种情况下,必须发展出一种新的恒星形成理论。综合考虑,太阳的中心存有微型黑洞是极不可能的。

在银河系,绝大多数球状星团似乎与银河系一同形成,小部分在之后形成或者在一个或多个小星系与银河系合并时被银河系捕获。银河系的绝大多数球状星团环绕银河系边缘,平均年龄在100亿岁左右。星团内的恒星只含有少量形成行星所需的重元素。某些科学家认为这导致球状星团的恒星很难拥有行星。迄今为止,科学家只在一个球状星团发现一颗行星。

然而,天文学家普遍认为,可能存在一个超大质量的黑洞在大多数星系的中心(所谓的“超大质量”,指的是比太阳质量大好几百万倍)。这些超大质量黑洞可能在星系的形成中起了重要作用,并起到了稳定银河系盘面的作用。

在2016年初的研究中,冈萨雷斯-洛佩兹利拉和塔塔基础科学研究所的阿拉克·拉伊指出这种观点太过悲观。在金属含量只有太阳十分之一的恒星周围,科学家发现了系外行星。虽然木星大小的行星常被观测到存在于重元素数量超过太阳的恒星周围,但地球级的较小行星并不存在这种趋势。拉伊表示:“现在就说球状星团几乎没有行星存在还为时尚早。”

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上:艺术家描绘超大质量黑洞从邻近的星体上抽走物质。

加拿大-法国-夏威夷望远镜

左下:超大质量黑洞的X光映像。

拉伊等人的研究是一项规摸更大的研究计划的一部分,后者对半径5200万光年天域内的9个漩涡星系的球状星团进行研究。研究人员最感兴趣的是,球状星团数量与漩涡星系中央黑洞质量之间的关系。在椭圆星系,这种关系非常紧密,但在漩涡星系,二者之间则没有显着关联;银河系就是这种情况。

右下:超大质量黑洞的光学映像。

冈萨雷斯-洛佩兹利拉指出:“我们将要研究的9个漩涡星系都是经过精挑细选。我们对它们的黑洞质量进行了准确估算。它们的距离并不十分遥远,可以借助加拿大-法国-夏威夷望远镜进行观测。最初的观测便由这架望远镜进行。”

相关知识

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星系,在日文汉字译字为银河,但在中文银河是特指本银河系。广义上星系指无数的恒星系、尘埃组成的运行系统。参考我们的银河系,是一个包含恒星、星团、星云、气体的星际物质、宇宙尘和暗物质,并且受到重力束缚的大质量系统,通常距离都在几百万光年以上。

韦斯特博克综合孔径射电望远镜

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墨西哥国立自治大学射电天文学与天体物理学研究所的迪瓦卡拉·梅亚表示这种研究从获取图像开始,而后根据所谓的双色图寻找球状星团候选者。在这项研究中,科学家除了使用滤光器,还使用了紫外线和红外线过滤器。

位于后发座的NGC 4414是一个典型的漩涡星系,直径55,000光年,距离6,520万光年。图片来源:哈伯太空望远镜NASA/ESA。

研究计划得出了出人意料且令人惊异的发现。M106的球状星团并不呈球形分布,而是盘形排列,旋转速度与M106盘内的中性氢相同,即使距中央异常遥远,也是这种情况。(借助韦斯特博克综合孔径射电望远镜,研究人员对M106的中性氢进行了观测。)在此之前,科学家从未发现过这种现象。不过,科学家还需进行进一步研究,以证实他们的发现。

太阳系是一个受太阳引力约束在一起的行星系统,包括太阳以及直接或间接围绕太阳运动的天体。在直接围绕太阳运动的天体中,最大的八颗被称为行星,其余的天体要比行星小很多,比如矮行星、太阳系小行星和彗星。轨道间接围绕太阳运动的天体是卫星,其中有两颗比最小的行星水星还要大。

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狮子座的螺旋星系NGC 3368,距地球3500万光年

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冈萨雷斯-洛佩兹利拉表示由于M106球状星团的独特运转方式,它们所在的盘与100亿年前孕育恒星的物质盘极为相似。“我们认为M106的球状星团盘是宇宙全盛时期的遗迹。”

研究过程中,科学家利用光度测定法搜寻候选球状星团。这是一种引人注目的搜寻方式。在加那利大型望远镜的帮助下,科学家发现M106的球状星团数量与黑洞质量之间关系紧密。M106中央超大质量黑洞的质量是太阳的4000万倍,银河系中央黑洞的10倍,M87星系中央黑洞的1/150。最近,科学家公布了M87黑洞照片。科学家指出对更多漩涡星系进行研究有助于厘清各种假设扮演的角色,从而进一步了解星系、星系内的球状星团和黑洞的形成和演化。

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