前段儿一篇《科学家首次发现银河系外休眠黑洞》的新闻,很多人对其中的休眠黑洞比较感兴趣,那今天我们就来聊聊它。还记得以前我们介绍过的一种在星际空间中游荡的黑洞吗?对,就是流浪黑洞。
今年年初有篇论文,当时他还是预印本,上个月他已经发表在《天体物理期刊》上。在那篇论文中,研究人员介绍他们发现了一个距离我们五千光年的流浪黑洞。相较于普通的恒星级黑洞,这种流浪黑洞就可以看作是一种休眠黑洞。
通常认为,这种流浪黑洞在当初形成的时候,由于周围其他天体的引力作用,它被从原来所在的系统中甩了出去。从此,便开启了在星际空间中的流浪生活。野外生存,毕竟食物有限,所以对于黑洞这种干饭人来说,很快他便把周围能吃的全给吃了。
吃饱喝足又没网,那就只能去睡觉了,这就是休眠黑洞。不过这次发现的休眠黑洞和上次发现的流浪黑洞还不太一样。具体一会儿再详细说。平时观测到的那些黑洞,无论是星系中心的超大质量黑洞,还是恒星死亡后形成的恒星级黑洞,通常它们都是些正在进食中的黑洞,周围是吸积盘,并且在疯狂打转。
这些吸积盘就像是黑洞的餐盘,里面的物质就是黑洞的食物。这些物质随着旋转逐渐向中心黑洞跌落,此时它们将产生极高的温度。期间,引力势能会通过电磁辐射的形式释放出来。对于黑洞这种天体来说,其中X射线尤为明显。
所以通常定位黑洞,靠的就是对他吸积盘释放出的X射线的探测。对于食物匮乏的流浪黑洞来说,别说吃的了,连餐盘都没了。显然它也无法辐射出能让我们探测到的X射线,所以它就像隐身了一样潜伏在太空中很难被人察觉。
虽然我们无法通过电磁波的形式直接进行探测,但黑洞毕竟是有质量的。而且根据奥本海默极限,对于恒星坍缩形成的黑洞,它至少是几个太阳质量以上的大家伙。所以我们可以通过它产生的引力效应来探测。
比如上次的那个流浪黑洞,我们就是通过他对背景恒星产生的微引力透镜效应发现的。不像韦伯深场照片中直接被拉成弧形的天体,那就属于强引力透镜,需要有非常大的质量,比如星系团级别。
对于恒星级质量造成的微引力透镜效应则不会那么明显,它通常只会导致某个背景恒星的位置发生偏移或者亮度突然变化。由于银河系内有非常多的恒星,因此借助这种微引力透镜,我们在太阳系附近发现类似的休眠黑洞,相对来说还比较容易。
但是这次新闻里说的是,科学家首次在银河系外发现了这种休眠黑洞。我们知道银河系外的那些河外星系距离我们都十分遥远。就拿大麦哲伦星系来说,作为银河系的卫星星系,它离我们有16万光年。
相比之下,上次的流浪黑洞才几千光年远。这么远的距离,恒星级黑洞的引力本就有限,加上背景星还在它身后,比它更远。在这种情况下,微引力透镜这个工具就没那么好用了。
那这次休眠黑洞是如何发现的呢?看了在自然天文学上的这篇文章,原来这个黑洞除了秋眠外,还有更加神奇的地方。通过欧洲南方天文台的甚大望远镜数据,研究人员先是在大麦哲伦星系的蜘蛛星云中,发现了一颗奇怪的恒星。
通过三种不同方法,研究人员综合测算出,这是一颗25倍太阳质量左右的O型恒星。虽然O型星在主序星里边属于非常罕见的类型,但是由于这种恒星的质量大,亮度高,所以它比其他恒星更容易被看到。
我们从地球上看见的亮星,绝大多数都是O型星,这颗恒星奇怪在哪儿呢?通过对恒星轨道分析,研究人员发现它符合双星特征。可是在它旁边,我们并没有发现其他恒星。也就是说它似乎在和一个隐形的天体相互环绕。
研究人员将这个特殊的双星系统命名为VFTS243。大质量天体看不见,又不是恒星,那它只可能是简并态天体,比如白矮星、中子星,或者干脆就是黑洞。可问题是,这种双星系统中的致密天体通常都存在着吸积盘,所以会伴随着强烈的X射线。
可是在这里我们并没有看到相应的光谱。研究人员通过分析发现,这个隐形的天体总质量将近九倍太阳质量,远大于奥本海默极限,因此白矮星和中子星的可能性也进一步被排除。所以最后他们的结论是,这个隐藏的伴星只能是一个恒星级黑洞。
同时也能预料出,在未来不久那个25倍太阳质量的O型恒星将寿终正寝,并在演化末期也坍缩成一个黑洞。到时候它俩就会成为一个双黑洞系统,开始超级漫长的相互环绕过程,最终合二为一。
其实,单纯包含黑洞的双星系统并不罕见。比如,银河系内距离我们七千多光年的天鹅座X1,作为距离我们最近的黑洞之一,同时也是人类最先确认的黑洞天体,天鹅座X1是一个大质量的X射线双星。
它的高能X射线,就是双星中那个21倍太阳质量的黑洞的吸积盘案释放出来。那个与之共舞的大质量伴星,正在被黑洞一点点地蚕食。通常情况下,恒星级黑洞都会或多或少存在着吸积盘,其中有些因为袭击率低的原因,也能产生较少的X射线。
但对于VFTS243这样的黑洞来说,研究人员在光谱数据中,除了看不到X射线的迹象,就连它的袭击盘也没有发现。这对于一个双星系统中的黑洞非常罕见。另外这个黑洞还有个与众不同的地方,就是它的形成过程。
通常情况下,大质量恒星最后坍缩成黑洞时,只是核心坍缩,大量的外层物质则会抛洒出去,也就是超新星爆发。这种突然的大质量损失,会导致恒星残骸的轨道发生变化,造成比较大的偏心率,甚至是被甩出去,成为流浪黑洞。
但是这个休眠黑洞的轨道近乎圆形,这意味着他当初坍缩时,质量损失非常少,甚至还不到一倍太阳质量,所以它的轨道并没有受到太大影响。这么看来,当初那颗恒星的死法可能并不像其他大质量恒星一样,经历了超新星爆发,而是直接整个坍缩成黑洞。
这个猜测对恒星核心坍缩的黑洞形成理论造成了很大挑战。当然,这一结论并不是靠轨道特点这单一理由得出的。研究人员也考虑了像是光谱,光变曲线,甚至是黑洞与周围星云的相对运动等其他特征。
作为一个有着传奇身世且探测不到X射线的安静黑洞,尤其是在一个双星系统中。之前,在银河系外还没有正式发现过。虽然这种包含安静黑洞的双星系统很罕见,但是研究人员在类似的51个大质量双星样本中,初步估算应该有8%包含有黑洞。
据说今后,欧航局计划通过盖亚探测器对双星系统进行高精度测量,届时我们或许能在银河系中发现数百个类似的黑洞双星系统。而未来,在斯隆巡天这样的大规模光谱测量数据中,天文学家将会发现更多的核外黑洞双星。
对这类系统的研究,除了可以在引力波探测方面提供帮助外,关于黑洞形成方式的新猜测或许也能得到证实。希望未来我们能更加了解黑洞这种宇宙中最神秘的天体。
都说如果家里发现一只蟑螂,在看不见的地方,已经有成百上千只。现在既然我们已经发现了一颗隐藏在星际间的流浪黑洞,那是否意味着,我们的周围已经遍布着类似的黑洞呢?
根据现有理论,有不少到最后都会被踢出去成为流浪黑洞。这么说的话,地球未来会不会碰上一个这样的黑洞?或者有一天我们突然发现,某个未曾注意到的流浪黑洞正在朝太阳系飞来,那时的我们又该怎么办呢?
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