黑洞會(huì)死亡嗎？中等質(zhì)量黑洞都藏到哪里去了？

北京時(shí)間5月28日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，天文學(xué)家米斯蒂·本茨(Misty Bentz)指出，黑洞“并不是一臺(tái)在宇宙中到處轉(zhuǎn)悠、把一切都吸進(jìn)肚子里的吸塵器，它們利用引力的方式和其它天體其實(shí)別無(wú)二致。”與許多人想象的“吸管”不同，黑洞只是由于體積極大、密度極高，因此引力極強(qiáng)，任何物質(zhì)都無(wú)法從中逃脫。

近年來(lái)，黑洞屢屢出現(xiàn)在新聞上。比如在銀河系中央的超大質(zhì)量黑洞周?chē)l(fā)現(xiàn)的恒星群，或者成長(zhǎng)速度極快、每?jī)商炀投喑鲆粋€(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，又比如早在宇宙黎明時(shí)期就形成的最古老黑洞。從誕生到消亡，黑洞始終是宇宙中一種神奇的存在。本文將為你詳細(xì)介紹黑洞一生的故事。

誕生

黑洞的誕生源自恒星的死亡。當(dāng)一顆質(zhì)量至少為太陽(yáng)10倍的恒星燃料耗盡后，即所有的氫都已聚變?yōu)楹?、所有的氦又已聚變?yōu)樘肌⒀醯绕渌睾?，黑洞便?huì)隨之形成。恒星只剩下金屬內(nèi)核后，便無(wú)法繼續(xù)發(fā)生核聚變，恒星的生命也就走到了盡頭，在一場(chǎng)劇烈的爆炸中謝幕。爆炸時(shí)，外層物質(zhì)被拋離出去，內(nèi)核則向內(nèi)坍縮。

“如果恒星的質(zhì)量足夠大，比如內(nèi)核質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)的三倍，死亡后就會(huì)坍縮為黑洞。由于這類(lèi)黑洞的質(zhì)量接近恒星，我們稱其為恒星質(zhì)量黑洞。”美國(guó)喬治亞州立大學(xué)天文學(xué)家米斯蒂·本茨指出。

恒星死亡，黑洞誕生，這種聯(lián)系在宇宙中十分常見(jiàn)。恒星與黑洞有著密不可分的關(guān)系，在宇宙中恒星更新?lián)Q代頻繁的區(qū)域尤其如此。

“在死去的恒星附近很容易發(fā)現(xiàn)正在形成的新恒星，因?yàn)橘|(zhì)量最大的恒星往往活不長(zhǎng)久，”本茨解釋道，“恒星壽命與質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量最大的恒星壽命比其它恒星短得多，因?yàn)槿剂舷牡眠^(guò)快。”

黑洞的誕生也能促進(jìn)新恒星的形成。本茨稱其為“大規(guī)?；厥枕?xiàng)目”。當(dāng)一群新恒星形成時(shí)，其中質(zhì)量最大的恒星會(huì)迅速死亡，以爆炸的形式告別其短暫的一生。“爆炸產(chǎn)生的沖擊波會(huì)壓縮更多氣體和塵埃，從而促進(jìn)更多恒星形成。接著，這些恒星中質(zhì)量最大的那顆也會(huì)很快爆炸，產(chǎn)生新的沖擊波，再形成新的恒星。新恒星的誕生與舊恒星死亡產(chǎn)生的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)息息相關(guān)。”

但恒星質(zhì)量黑洞還不算什么，超大質(zhì)量黑洞的起源遠(yuǎn)比其詭異得多。此類(lèi)黑洞常見(jiàn)于星系中央，銀河系也不例外，且形成過(guò)程與其它較小黑洞略有不同。

“超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量可能高達(dá)太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)、甚至10億倍。但它們并非生來(lái)就如此體量驚人。問(wèn)題是，它們是如何形成的?又是如何長(zhǎng)到這么大的?”紐約皇后社區(qū)學(xué)院理論天體物理學(xué)家吉利安·貝羅瓦里(Jillian Bellovary)指出。

就天文學(xué)家所知，超大質(zhì)量黑洞約形成于130億年前，可迅速成長(zhǎng)為極大的黑洞。貝羅瓦里表示：“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量達(dá)太陽(yáng)數(shù)十億倍的黑洞。它們誕生得非常早，這一點(diǎn)就很奇怪，因?yàn)槲覀儾恢滥敲葱〉目臻g中怎么會(huì)有這么多的質(zhì)量。”

“這有點(diǎn)像‘先有雞還是先有蛋’的問(wèn)題，”本茨指出，“在宇宙形成初期，一些密度過(guò)高的區(qū)域可能通過(guò)直接坍縮形成黑洞。也許這些物質(zhì)剛開(kāi)始是在引力作用下發(fā)生坍縮的，隨后不斷坍縮下去，直至形成黑洞，過(guò)程中也不會(huì)形成恒星或其它天體。”

另一種解釋是，超大質(zhì)量黑洞起源于早期星系中。一開(kāi)始形成的黑洞較小，隨后不斷在星系中央合并為較大的黑洞。

貝羅瓦里指出，這些早期超大質(zhì)量黑洞的前身一開(kāi)始可能體積適中，但又必須大于恒星質(zhì)量黑洞，否則便無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)成長(zhǎng)為早期宇宙中的“龐然巨獸”。

“這些超大質(zhì)量黑洞算是贏在了起跑線上，它們剛形成時(shí)便體積不小，否則來(lái)不及增長(zhǎng)得如此巨大。因此它們剛形成時(shí)便已經(jīng)是中等體積的黑洞了。”貝羅瓦里解釋道。

科學(xué)家仍在努力研究這些黑洞是如何借助早期宇宙中的熾熱氣體與塵埃形成的。此類(lèi)物質(zhì)同時(shí)坍縮時(shí)一般會(huì)形成恒星，因此早期宇宙的化學(xué)成分也許有某些獨(dú)特之處，促進(jìn)了早期黑洞的形成。

“早期宇宙中的氣體也許僅由氫和氦構(gòu)成，因?yàn)檫@是宇宙大爆炸產(chǎn)生的唯一兩種元素，其它元素都是在恒星內(nèi)部形成的。如果當(dāng)時(shí)尚未形成恒星，就不會(huì)有其它元素。早期宇宙的這一化學(xué)構(gòu)成，再加上氣體的運(yùn)動(dòng)(或缺少運(yùn)動(dòng))，也許激發(fā)了早期宇宙中黑洞的誕生。”

中等質(zhì)量黑洞都藏到哪里去了?

成長(zhǎng)

黑洞的大小不會(huì)一成不變。落入其中的一切物質(zhì)都無(wú)法從中逃脫，并被吸收為黑洞質(zhì)量的一部分，使黑洞不斷生長(zhǎng)。

“無(wú)論落入黑洞中的是氣體、恒星還是行星，都會(huì)增加黑洞的質(zhì)量。這種一點(diǎn)點(diǎn)吞食物質(zhì)的過(guò)程便是黑洞生長(zhǎng)的途徑之一。”本茨表示。

“我們認(rèn)為，吞食氣體是效率最高的黑洞生長(zhǎng)方式。”貝羅瓦里指出，“氣體落入黑洞中時(shí)，就像水旋轉(zhuǎn)著從水槽中流下去一樣。氣體被黑洞的引力吸引過(guò)去，但氣體自身也會(huì)運(yùn)動(dòng)，因此會(huì)圍繞著黑洞形成一個(gè)薄薄的圓盤(pán)，最終被吞入黑洞中。”

吞食氣體的效率的確很高，但合并也是黑洞快速成長(zhǎng)的途徑之一。黑洞相撞后，這兩個(gè)看不見(jiàn)的巨大天體便會(huì)融為一體?？茖W(xué)家可借助LIGO望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)黑洞合并現(xiàn)象。2015年，LIGO首次探測(cè)到了兩個(gè)黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的引力波(不過(guò)該消息到2016年才對(duì)外公布)。

“這是我們了解到的首個(gè)不涉及光線的宇宙事件。在此之前，我們總要依賴光線和眼睛進(jìn)行觀測(cè)。沒(méi)有了光線，我們便對(duì)宇宙一無(wú)所知。光對(duì)我們固然重要，但如今我們也能觀測(cè)到無(wú)法依賴光線進(jìn)行觀察的宇宙事件了，比如說(shuō)黑洞合并。”貝羅瓦里表示，“若不是因?yàn)橐Σ?，我們便無(wú)從知曉究竟發(fā)生了什么。”

超大質(zhì)量黑洞與恒星質(zhì)量黑洞的體積相差甚遠(yuǎn)，應(yīng)當(dāng)還有質(zhì)量和體積介于兩者之間的黑洞。唯一的問(wèn)題是，研究人員至今還未觀察到過(guò)這種“中等黑洞”。

但這并不意味著中等質(zhì)量黑洞不存在。許多研究人員仍在積極尋找此類(lèi)黑洞。但它們很難用可見(jiàn)光進(jìn)行探測(cè)，不像恒星質(zhì)量黑洞，可以借助被撕碎的恒星來(lái)觀測(cè);也不像超大質(zhì)量黑洞，它們吸收的氣體、塵埃和物質(zhì)極多，落入其中的粒子相撞時(shí)會(huì)發(fā)出極亮的光芒，比宇宙中我們見(jiàn)過(guò)的任何天體都要明亮。

“中等質(zhì)量黑洞的引力不夠強(qiáng)，亮度也不夠高。”本茨指出。并且研究人員認(rèn)為，它們發(fā)射出的光線主要處在X射線波段，宇宙中也有別的天體以這一波段的光線為主，因此不夠特殊。

“很難把它們與其它天體區(qū)分開(kāi)。”本茨說(shuō)道，“它們也許就在那兒，只是我們很難確定無(wú)疑地說(shuō)，‘這個(gè)肯定是中等質(zhì)量黑洞’。”

死亡

無(wú)論體積如何，黑洞都會(huì)經(jīng)歷特定的生命階段，即誕生和成長(zhǎng)。但黑洞會(huì)死亡嗎?霍金認(rèn)為有可能，稱黑洞可借助名為“霍金輻射”的物理機(jī)制逐漸滅亡。

該理論認(rèn)為，如果黑洞不再吸收其它物質(zhì)，最終便可能被亞原子粒子銷(xiāo)蝕掉。本茨是這樣解釋的：在宇宙各處，亞原子粒子剛剛誕生時(shí)，均以粒子和反粒子的形式成對(duì)存在。但它們形成后便會(huì)立即相撞、湮滅，回歸能量形式。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，質(zhì)量再轉(zhuǎn)化為能量，這一過(guò)程不斷循環(huán)往復(fù)。”本茨解釋道，“如果該過(guò)程發(fā)生在黑洞附近，粒子-反粒子對(duì)中的一方被吸進(jìn)了黑洞中，另一方則留在時(shí)間邊界之外，就等于從黑洞中竊取了一點(diǎn)能量。這一半粒子遠(yuǎn)離黑洞時(shí)，相當(dāng)于把黑洞的能量也帶走了一部分。”

如果該過(guò)程不斷發(fā)生，同時(shí)黑洞沒(méi)有吸收更多質(zhì)量，最終整個(gè)黑洞都會(huì)被輻射掉。不過(guò)無(wú)論是恒星質(zhì)量黑洞、超大質(zhì)量黑洞還是中等質(zhì)量黑洞，都要耗費(fèi)極久的時(shí)間，才能讓黑洞損耗一丁點(diǎn)兒。

“哪怕在宇宙伊始就形成一個(gè)黑洞，現(xiàn)在宇宙經(jīng)歷的時(shí)間也不足以讓其死亡。最早形成的黑洞可能要過(guò)1054年才會(huì)開(kāi)始消亡。”本茨指出。

這一過(guò)程之久、黑洞與亞原子粒子的體積差異之大意味著黑洞發(fā)出的霍金輻射無(wú)法被直接觀測(cè)到?？茖W(xué)家用實(shí)驗(yàn)室中黑洞模擬物開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)顯示，霍金的理論可能是正確的，但我們對(duì)黑洞的結(jié)局仍然不甚明了。

待解之謎

事實(shí)上，我們對(duì)黑洞的了解本來(lái)就很有限。所幸有本茨和貝羅瓦里這樣的研究人員，正致力填補(bǔ)我們對(duì)黑洞了解的空缺。

本茨正在研究遙遠(yuǎn)星系中央超大質(zhì)量黑洞能夠達(dá)到的體積上限。她還在研究黑洞體積與其所在星系性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)。她希望自己的觀測(cè)結(jié)果可用于建立相關(guān)計(jì)算機(jī)模型，幫助人們分析黑洞的演變過(guò)程、以及解答與宇宙形成有關(guān)的問(wèn)題。

貝羅瓦里則在參與LISA(激光干涉空間天線)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目計(jì)劃于2030年后開(kāi)展，屆時(shí)將發(fā)射三枚探測(cè)器，分布在距地球250萬(wàn)公里處，構(gòu)成類(lèi)似LIGO的天基引力波探測(cè)裝置，只不過(guò)關(guān)注重點(diǎn)為超大質(zhì)量黑洞、而非恒星質(zhì)量黑洞的合并。

“我對(duì)該項(xiàng)目感到非常激動(dòng)，因?yàn)樗鼘椭覀兞私鉄o(wú)法用光線進(jìn)行觀察的事物，有助于我們了解黑洞的生長(zhǎng)過(guò)程、合并頻率、質(zhì)量來(lái)源(來(lái)自黑洞合并還是吸收氣體)、形成方式、數(shù)量分布、以及在我們看不到的區(qū)域是否存在黑洞等信息。如果僅用光線進(jìn)行觀測(cè)，這些問(wèn)題將永遠(yuǎn)得不到解答。”貝羅瓦里表示。

黑洞體量驚人、神秘莫測(cè)。但有一點(diǎn)是研究人員可以確定的：“它們并不危險(xiǎn)。黑洞離我們非常遙遠(yuǎn)，因此用不著擔(dān)憂。”貝羅瓦里指出，“還有很多其它東西更值得我們擔(dān)心。”

本茨也贊同她的看法：“黑洞是一種極端天體，但并不可怕。”有些人害怕黑洞會(huì)在星系中橫沖直撞，將附近的星球盡數(shù)吞入腹中。對(duì)此本茨表示，如果把太陽(yáng)換成一個(gè)相同質(zhì)量的黑洞，地球軌道根本不會(huì)受到影響。“地球仍將保持原本的軌道旋轉(zhuǎn)，只不過(guò)少了太陽(yáng)的光和熱而已。要想被黑洞吞掉，必須靠得很近才行。但假如我們靠近太陽(yáng)，下場(chǎng)也一樣悲慘。”

“黑洞離我們非常遠(yuǎn)，對(duì)地球構(gòu)不成威脅。除非你離黑洞靠得太近，它才會(huì)變得危險(xiǎn)起來(lái)，但到時(shí)害怕也來(lái)不及了。”貝羅瓦里說(shuō)道。

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