巨型黑洞有多可怕?两个巨型黑洞将带来大毁灭?

2020年06月23日 12:12:01 分类: 未解之谜

根据爱因斯坦的相对论,当一颗恒星崩塌的时候,它将会形成黑洞,黑洞是一个密度无限大、时空曲率特别高、体积无限小的

根据爱因斯坦的相对论,当一颗恒星崩塌的时候,它将会形成黑洞黑洞是一个密度无限大、时空曲率特别高、体积无限小的特殊天体,它一旦形成,将会吞噬四周的星体。而巨型黑洞则是由较大的恒星坍塌形成的,它到底有多可怕两个巨型黑洞在一起又会带来怎样的后果?

巨型黑洞所能具有的最大质量约为10亿倍于太阳,但是,引力坍缩理论允许我们设想千倍、百万倍甚至几十亿倍太阳质量的黑洞。

美国天文学家通过对钱德拉X射线观测望远镜研究发现,宇宙黑洞在宇宙初期即在宇宙大爆炸后不久,就聚成了一个大的难以置信的黑洞SDSSpJ306,这个黑洞增长速度极快,足足可以吞噬整个太阳系,吞进的星体质量相当于3亿9500万个太阳,引起气体喷发时期为止科学家在宇宙中发现最大的。

这颗名为SDSSpJ306的巨大黑洞位于我们地球26亿光年。这个黑洞非常巨大,引力令人吃惊,整个银河系的小行星都有危险。它还是电磁风最大的黑洞之一,任何物体(包括光)都会被撕碎,大的恒星只能吐出一点星团还给宇宙,因此形成了两个巨大的洞穴,每个洞穴直径都有65万光年,是银河系的2倍。黑洞再次喷发出来的气体质量,相当于1万亿个太阳质量,这种喷发已经持续了1亿年之久。

日本朱雀X射线卫星和欧洲航天局的赫歇尔红外空间望远镜联合观测图像显示,科学家在IRAS F11119+3257星系中央附近发现了超大质量黑洞扼杀星系内恒星形成的证据,强大的黑洞风将星系内用于恒星形成的冷气体吹散,导致星系内部分区域失去了用于形成新生恒星的原始材料。

这一发现也证实了此前科学家的一个猜想:超大质量黑洞的存在对星系其实并不利,可影响宿主星系的演化,黑洞风能够让星系进入不孕状态,扼杀了新生恒星的诞生。

也就是说,一旦一个巨型黑洞形成,那么它周围所有的行星上几乎都不可能有生命形成了,这些行星就会彻底变成死星,而如果宇宙中存在多个这样的巨型黑洞,那么就会有更多本应该孕育生命的行星成为死星,我们的寻找外星人之旅至今无果也有一定的理论依据了。

光是一个巨型黑洞就如此可怕,那么如果有两个呢?如果是两个巨型黑洞紧紧靠在一起,形成双黑洞呢?

而就在距离地球足有100多亿光年的地方,真的存在着这样一对质量足够巨大的双黑洞。

对天文学家和天体物理学家来说,这些质量大多为太阳的上百万甚至数十亿倍的庞然大物虽然仍充满了未解之谜,但它们一点都不罕见。

我们目前观测到的所有大型星系的中央,都有这样的一个黑洞。比如,银河系中央就有一个名为人马座A*(Sag A*)的黑洞。

天文学家认为,这些黑洞与所在星系的形成和演化密切相关。

但大多数黑洞都并不活跃(Sag A*目前就不活跃)它们处于一种相对安静的状态,默默地吸收(accrete)周围的气体物质,从而放出一些不那么耀眼的光芒。

但是,如果一个黑洞处于它的事业巅峰,正以极快的速度和极高的效率吞噬物质,我们就称这个黑洞是活动的(active),构成了一个活动星系核(active galactic nucleus,缩写为AGN)。有些活动星系核放出的光非常明亮,甚至在100多亿光年外的地球上也可以被观测到。

当然,当一个物体距离很远很远的时候,你便看不清它的具体形状,只能看见一个亮点了。这就是类星体(quasar)这个名字的来源它是一类离我们很远、核心又足够明亮(远远亮于它所在星系)的活动星系核,由于在望远镜的照相机看来,它和普通的星星没什么区别,最初被称为quasi-stellar object,也就是类似恒星的天体。

一颗恒星在它几百万年、几亿年,甚至更长的寿命中都几乎没什么变化,类星体却无时无刻不在变化,不管你盯着它看几分钟,还是几十年。

对于这种变化的原因,天体物理学家有各种理论,主要认为这和吸积盘的不稳定有关。周围的气体物质围绕黑洞运动形成吸积盘,黑洞通过它吸收物质并辐射电磁波,因此吸积盘的不稳定使我们观测到了类星体在可见光波段产生的光变(variability)。

如果把它的光强记录下来画在Y轴,观测的时刻画在X轴,这条光变曲线(light curve)看起来就会像股市K线图一样毫无规律和节奏感。

但是,类星体有可能存在一种特别的、有规律的光变:当它中心的黑洞不是一个,而是一对时,受到两个黑洞相互绕转轨道运动的影响,这对双黑洞吸收物质的速率就会发生相应的变化反映在光变曲线里,便会呈现出周期性的光变。

为什么科学家认为会有双黑洞存在?这要从宇宙学和星系的演化说起:根据当今的宇宙学模型,小尺度的结构率先形成,于是宇宙早期先有了小型的星系;它们通过吸收星系之间的物质,以及与其他星系并合,渐渐成长为大型的星系就好比一个小公司通过雇用员工,以及与其他公司合并,成为了一个大公司。

星系的这种并合现象在宇宙各阶段和各处都有发生,我们已经见到了许多处于不同并合阶段的星系。

当两个星系并合时,星系中心各自的黑洞也会渐渐靠近,成为新形成的更大星系的中心。当这对黑洞的距离足够近到受到对方引力作用的影响时,我们便把它们称为双黑洞。

在一定的距离内,广义相对论预测,这对互相绕转的黑洞会辐射引力波(gravitational wave),而引力波开始在这个距离内取代其他过程,主导它们的轨道运动,加速并合,最终使两个黑洞相撞。

双黑洞在实际观测中极为少见,天文学家目前的主要研究方式是:逐个获取类星体的光谱(比如使用斯隆数字巡天SDSS的数据),寻找其中被认为与双黑洞有关的特征。

至于引力波影响距离之内的双黑洞,更是无法从望远镜图像上辨认。而我们的团队采用的则是一种新的方法在夜空中一定的面积内展开系统性的搜寻,寻找前面所说的周期性光变的类星体。

我们用来寻找这一信号的望远镜,位于美国夏威夷的毛伊岛(Maui)上,名为Pan-STARRS,全称Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System。充满想象力的天文学家总爱给一个项目起巨长的名字,却又有一个好听的缩写名。这个项目的缩写名译成中文,大概可以称为泛星。

泛星的观测项目之一,便是在长达4年多的时间里,对它望远镜全部视野里的小范围夜空,每一季度像拍摄电影一样有计划、有规律地重复观测,由此得到成千上万个天体的光变曲线。

在7平方度大小(大约相当于大拇指在一臂远处的视觉大小)的天区里,对上百颗类星体进行搜寻之后,我们发现了周期性光变类星体的最佳候选者,一个名为PSO J334.2028+01.4075的类星体。天文学家的想象力有时也会枯竭,因此对于为数众多以至于几乎数不清楚的天体,通常会以天体在天空中的坐标来给它们命名。

科学家测量了它的光变周期,大约为542天,还利用光谱估算出了黑洞的质量之和,大约是太阳的100亿倍。

我们还惊讶地发现,如果它确实是理论预测中的双黑洞,那么这两个黑洞的间距就仅有0.02光年,只有太阳和最近的另一颗恒星比邻星间距的1/200,近到足以令两者的运动受到引力波主导,甚至可能处在快速并合的过程当中如果情况属实的话,这两个黑洞会在大约21年后相撞!

这是目前发现的间距最近的双黑洞候选者,也是一个潜在的引力波源。科学家公布这一发现的论文,于4月14日在《天体物理学杂志通讯》(The Astrophysical Journal Letters)上发表。美国马里兰大学计算机、数学及自然科学学院为此发布了新闻稿,还引起了来自《自然》、《美国国家地理》和果壳网等机构的科学记者的兴趣。

下一代的大型地基望远镜大型综合巡天望远镜(Large Synoptic Survey Telescope)已经开始建造,预计2023年前后启用。它的威力将是泛星的上千倍,在项目计划运转的10年时间里,将产生数以万计天体的光变曲线。

科学家也开始利用遍布世界被称为脉冲星计时阵(Pulsar Timing Arrays)的射电望远镜阵,尝试观测双黑洞等密近双天体系统在空间中可能引起的广义相对论效应。科学家还设计建造了地面实验设备,例如激光干涉引力波观测台(LIGO),试图直接探测引力波。

或许不久,我们会发现更多类似于PSO J334.2028+01.4075的双黑洞候选者,甚至直接观测到来自黑洞并合的引力波信号。毕竟,就算是在我们作为人类的寿命当中,区区21年似乎也算不上是一段特别漫长的时光。


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