黑洞家族丢失的重要成员藏身何处?

黑洞家族中似乎缺少一类必要的成员。现在我们可能知道它们藏身何处了。

黑洞不容易研究。它是如此致密,任何试图靠近它的东西都会被吞噬进去,甚至光也无法摆脱它的魔掌,所以它什么光也不反射。这迫使天文学家对它的搜索要另辟蹊径。

当观察到恒星围绕着中心一个看不见的东西在加速,天文学家会猜测那里可能有一个黑洞。而黑洞在吞噬物质的过程中有时也会产生向外的喷流,这是黑洞存在的另一个“泄密者”。最近,天文学家还观测到了黑洞碰撞产生的引力波,所以通过引力波来寻找黑洞,是寻觅黑洞的第三种方法。

通过这些观测方法,天文学家的“货架子”上已经摆上了大大小小的黑洞“样品”。然而,这些“样品”中少了按理说不该缺少的一款——中等质量黑洞。

黑洞家族“三缺一”

目前发现的黑洞,按质量大小,大致可分为两类。一类是恒星质量的黑洞,它们是由大质量恒星(一般是太阳质量20倍以上的恒星)在燃烧殆尽时,通过超新星爆发形成的。这类黑洞通常小于100倍的太阳质量,目前已知的最大者是太阳质量的15倍。另一类是位于星系中心的超大质量黑洞。银河系中心的黑洞是太阳质量的400万倍。其他星系的黑洞有的可达几十亿个太阳质量。但是居于两类之间的中等质量黑洞,却一直没找到。

这种状况是令人费解的。你想,超大质量黑洞必得有所来历吧。主流观点认为,它们是由较小的黑洞合并来的。但是,要长成一个有着10亿个太阳质量的超大质量黑洞,需要吞吃数百万个恒星级黑洞。这个过程需要很长时间,甚至整个宇宙的年龄都嫌不够。可是,天文学家发现,超大质量黑洞在大爆炸后的最初10亿年就已经存在了。似乎没有足够时间让它们长得这么快呀,除非搭成它们的“积木”更大,比如说不是恒星级这样的小黑洞,而是中等质量黑洞!

你或许会说,中等质量黑洞还不是又要由恒星级黑洞“搭积木”而来吗?那不也需要很长时间?

当然,恒星级黑洞“搭积木”的确是形成中等质量黑洞的一条途径。但它们的形成也许还另有捷径。一条捷径是,由第一代恒星死亡时产生。因为第一代恒星的质量比现在的恒星要大很多,它们在超新星爆发后形成的黑洞也许“一蹴而就”已属于中等质量黑洞了。另一条捷径是,直接由大团的气体云直接坍塌而成。如果采用这两条捷径,中等质量黑洞的形成就节省了时间,从而让它们有足够时间合并成超大质量黑洞。

但是,如果这样的话呢,必然还有很多没有合并成大质量黑洞的中等质量黑洞留下来,我们应该能够在宇宙中观察到它们。可事实是,这一款黑洞在“货架子”上严重“缺货”。那它们都藏到哪里去了呢?

总算找到一个中等质量黑洞

其实,这个问题是天文学家直到最近才提出来的,在此之前,他们本以为已解决了。

事情是这样的。自1980年代以来,遍布世界各地的射电望远镜探测到一系列异常明亮的X射线暴。天文学家起初以为它们来自黑洞。因为当物质打着螺旋以越来越快的速度掉入黑洞时,与邻近物质的摩擦会把它变得炽热,于是发射出X射线。黑洞的质量越大,围绕它的物质飞得越快,摩擦越大,发出的X射线就越明亮。但现在,这些X射线暴看起来太亮了,比太阳还亮100多万倍,它们不可能来自只有恒星质量大小的黑洞,证据似乎指向了中等质量黑洞。

但随着数据的积累,天文学家先是发现,这些X射线光谱与中等质量黑洞的光谱不太匹配。然后到了2014年,又发现这些X射线暴是脉动信号,只需用脉冲星就能解释。所以没必要认为它们产生自中等质量的黑洞。

那么,还有哪些观测事实被我们错过了呢?2017年2月,美国哈佛大学的一个天文小组宣布在一个称作“杜鹃座47号星团(47 Tuc,位于杜鹃座的南半球一侧)”的球状星团中发现了中等质量黑洞。

按理说,这个星团中心应该有黑洞存在,但由于这个星团太古老了,里面很多恒星早已燃烧殆尽,附近的物质也早被它吞噬净尽,只剩脉冲星残骸。所以不可能看到恒星绕一个看不见的中心运动的现象,也观察不到黑洞在吞噬物质的过程中产生向外喷流的现象,因此,如果中心有黑洞,确定黑洞的两个常规办法在这里都无法奏效。

天文学家另辟蹊径,采用了测量星团里脉冲星加速度微小变化的办法。他们发现杜鹃座47号星团里的脉冲星,除了相互之间的引力作用外,都受到一个额外引力的加速,这个额外的引力又正好指向一个中心。据此,他们认为那里藏有一个黑洞,经过计算,质量在1450~3800个太阳质量之间,正好处于中等质量的范围。

这么说,总算找到了一个,但多数人认为,仅仅发现一个还不足以解决中等质量黑洞为何如此稀缺的问题。为了填补这个“货架”,有人求助于宇宙中另一类失踪的天体——矮星系。

两个谜团合为一个

当一些天文学家在天空搜寻中等质量黑洞时,另一些则在寻找失踪的矮星系。这些矮星系,顾名思义,并不是大型星系,而是围绕着更大的星系(比如银河系)运转的星系。现在的问题在于,我们观察到的矮星系显得太少了。

在宇宙学的标准图景中,星系和星系团都被暗物质所渗透。暗物质是一种惰性的、不可见的神秘物质,它是星系形成的“脚手架”。当天文学家对早期宇宙中的星系形成进行电脑模拟时,发现应该有许多没有合并的矮星系。然而,在真实宇宙中,我们所看到的要少得多。此外,还有另一个问题:我们所看到的位于矮星系中心区域的恒星,其运行速度似乎不够快。按宇宙学标准理论预测,在矮星系中心,因为那里聚集着暗物质,而暗物质对普通物质(如恒星)有引力作用,那将会使恒星以更快的速度旋转。

为解决这两个问题,有人倾向于对暗物质的性质提出质疑。不过,英国牛津大学的天体物理学家约瑟夫·希尔克则认为有一个更简单的办法,即假设大多数矮星系中心都藏有一个中等质量黑洞。

撇开一切不管,希尔克的提议单从逻辑上讲是有道理的。因为既然大型星系中心有超大质量黑洞,那小型星系也该有中等质量黑洞与之匹配。

在一个矮星系诞生的早期,中等质量黑洞会吸食大量气体。但正如恒星级黑洞一样,在吸食过程中会产生巨大的喷流(宇宙中最明亮的一类天体——类星体就是这样产生的)。喷流吹跑了星系的大部分物质,最终形成的矮星系几乎都很小,并没有那么明亮。这或许就是我们一直难以观察到矮星系的原因。此外,普通物质与暗物质有引力作用,当喷流吹跑矮星系中心的普通物质时,暗物质也如影随形跟着离开了中心,这或许可以解释为什么矮星系中心的恒星运行速度不够快的问题。

如果希尔克的解释是可信的,那么矮星系就是寻找失踪的中等质量黑洞最有希望的地方了。但如何搜寻黯淡的矮星系,对于天文学家来说迄今依然是一个棘手的问题。

还有另一种办法:寻找引力波。到目前为止,探测到的少数引力波事件都来自中子星或恒星级黑洞的碰撞。如果我们能检测到来自中等质量黑洞碰撞产生的引力波,那么也就等于探测到了中等质量黑洞本身。

小贴士:星团和星系

星系是指围绕一个中心转的一群恒星,而星团只是同一个星系里相对比较集中的一群恒星。星系必定有一个中心,但星团不一定有中心。当然有的时候,我们起初没有发现一群恒星有一个中心,所以称其为“星团”,但后来却发现有中心,于是就从“星团”上升到“星系”了。