銀河系存在著一億個每天相互吞噬的黑洞

科技 08-15

一項新研究發現，黑洞合併要比科學家此前認為的更多，這一發現對未來的引力波研究具有重要意義。在對宇宙進行「人口普查」、統計黑洞數量和對黑洞進行分類之後，新研究得出「銀河系存在1億個黑洞」的結論。該研究論文刊登在最近一期《皇家天文學會月報》上。

2016年1月，激光干涉引力波天文台（以下簡稱LIGO）的科學家宣布首次探測到引力波，就此創造歷史。這一次的引力波由兩個黑洞合併導致。LIGO天文台由美國國家科學基金會資助，加州理工學院和麻省理工學院負責操作，致力於研究愛因斯坦廣義相對論預言的引力波。

根據加州大學歐文分校宇宙學中心的一支天文學家小組進行的新研究，黑洞合併要比科學家此前認為的更為多。在對宇宙進行「人口普查」、統計黑洞數量和對黑洞進行分類之後，研究小組認為銀河系存在1億個黑洞。

LIGO天文台的兩座設施，坐落於路易斯安那州利文斯頓（左）和華盛頓州漢福德（右）。

在論文《黑洞普查：宇宙恆星遺迹數量及對LIGO的啟示》中，研究小組詳細闡述了他們的發現。研究小組對LIGO天文台探測到的引力波信號進行了分析，此項研究由加州大學歐文分校物理學與天文學系博士後奧利弗·阿爾伯特領導。研究在一年半前進行，也就是在LIGO宣布首次探測到引力波後不久。這一次的引力波由兩個遙遠黑洞合併導致，每個的質量均在太陽的30倍左右。研究論文合著者、加州大學歐文分校的物理學與天文學教授詹姆斯·布洛克在一份新聞稿中指出：「探測到引力波是一項巨大成就，因為這證實了愛因斯坦廣義相對論的一個重要預言。在對實際結果背後的天文物理學進行深入分析之後，我們發現兩個質量約為太陽30倍的黑洞在互相合併。這是一項令人吃驚的發現，促使我們提出疑問——這種級別的黑洞究竟有多普遍？又是否經常上演互相吞噬？」

天文學家一貫認為黑洞的質量通常與太陽不相上下。他們試圖從星系形成角度，解釋LIGO探測到的多個引力波信號。此外，他們還創建了一個框架，預測未來的黑洞合併。隨後，他們估算出銀河系存在1億黑洞，其中有1000萬個黑洞的質量是太陽的30倍左右。2016年LIGO探測到的引力波就是由這種級別的黑洞合併導致。矮星系的黑洞數量在100個左右（例如距銀河系中央大約25萬光年的天龍座矮星系）。

研究發現絕大多數低質量黑洞（太陽質量的10倍）所在星系的質量可達到太陽的1萬億倍，大質量黑洞（太陽質量的50倍）所在星系的質量是太陽的100億倍左右（例如矮星系）。在對星系質量與恆星金屬丰度之間的關係進行分析後，他們認為星系的黑洞數量與恆星質量存在密切關係。

此外，他們還試圖確定成對出現的黑洞的普遍程度、發生合併的頻率以及需要多少時間完成合併，分析結果顯示只需極少數黑洞合併便可解釋LIGO的觀測發現。科學家可以根據這項研究，預測未來十年的更大質量黑洞合併。

研究論文合著者、加州大學歐文分校的物理學與天文學教授馬諾喬·卡普林哈特表示：「我們的研究顯示，只需0.1%到1%的黑洞發生合併便可解釋LIGO的觀測發現。當然，黑洞要在一個合理時間段內靠得很近，而後發生互相吞噬。這是一個開放性問題。如果當前有關恆星演化的理論是正確的，根據我們的計算，幾年後便可觀測到質量50倍於太陽的黑洞互相吞噬。」

換句話說，銀河系「盛產」黑洞，而且互相吞噬的頻率很高（相對於宇宙時間尺度而言）。這意味著未來我們將能探測到更多引力波。這並不令人感到吃驚，因為自2016年冬季以來LIGO已經兩次發現引力波。未來，更多關於引力波的發現正待我們去鑽研，天文學家也將擁有更多機會研究黑洞的互相吞噬，同時揭示黑洞互相吞噬這個現象背後的物理學原理。