你知道銀河系有多少黑洞嗎？銀河系有多達1億個黑洞！

【博科園-科學科普】黑洞一特殊的天體且具有強大的引力、所到之處也是無所不毀滅吞噬！

這個黑洞被x射線氣體包圍展示了一個主要的黑洞被識別和發現的方法。根據最近的研究僅在銀河系中就多達1億個黑洞。圖片版權：ESA, retrieved via http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/blackholes2.html

銀河系中有多少個黑洞？這個直截了當的問題被證明是極其困難的，因為黑洞很難直接探測。然而科學家們不僅已經開發出了尋找甚至稱重的間接方法，我們還了解了宇宙是如何形成的，從恆星和恆星殘骸，如果我們能理解在銀河系歷史上不同時期存在的不同恆星，我們就能準確地推斷出今天銀河系中有多少黑洞和質量。由於來自加州大學歐文分校的三位研究人員進行了一項全面的研究，首次準確地估計了在銀河系中發現的黑洞的數量。不僅我們的星系充滿了數以億計的恆星，而且我們還擁有多達1億個黑洞。

黑洞本身我們是看不見的，但在無線電和x射線的輻射下，它們可以讓我們進入它們的位置和物理性質。圖片版權：J. Wise/Georgia Institute of Technology and J. Regan/Dublin City University

當你認為早在20世紀80年代科學家們還沒有確定黑洞是否存在的時候，這一切就更加引人注目了。現在我們得到的最好的證據來自x射線和無線電發射源，它們產生的引力影響超過了中子星，但卻沒有光學或紅外線。隨後開始用多波長天文學測量銀河系中心恆星的運動，揭示出它們似乎繞著一個大質量軌道運行，它需要包含約400萬個太陽的物質。與其他更活躍的星系的觀測結果一致，我們現在相信包括我們自己在內的每一個巨大的星系都包含一個超大質量黑洞。

儘管這些是最大規模的黑洞，但它們並不是最常見的。事實上，宇宙有三種形成它們的方式，它們都起源於大質量恆星：

1、當一顆恆星超過某一臨界質量時，也許是20到40倍的太陽質量，它的核心耗盡了核燃料在Ⅱ型超新星爆炸中結束生命，它的核心坍縮成一個黑洞。

2、在不同的情況下一個巨大的恆星(也超過20個太陽質量)可以直接坍縮成一個黑洞，沒有任何超新星信號(或吹掉它的外層)。

3、當兩個中子星合併或碰撞時其質量的3 - 5%就會被拋入星際介質中，其餘的則形成一個黑洞。

兩顆中子星相撞，這是宇宙中許多最嚴重的元素周期表元素的主要來源。在這樣的碰撞中大約3 - 5%的質量被釋放拋出，剩下的就變成了一個黑洞。圖片版權：Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc

因此如果我們能弄清楚星系是如何形成的，成長起來的，並在他們的歷史上創造了恆星，我們就可以運行模擬告訴我們在任何大小和合併的歷史上，星系中應該存在多少黑洞。這正是奧利弗·d·埃爾伯特、詹姆斯·s·布洛克和Manoj Kaplinghat最近試圖做的工作。他們發現有三個問題需要知道答案才能得出黑洞的估計：

1、星系的總質量是多少?

2、銀河系的總質量是多少?

3、星系的金屬丰度如何？（即星系質量的百分之多少是比氫和氦重的元素？）

如果你能觀察和或重建這三種屬性你不僅能分辨出裡面有多少個黑洞，而且還能分辨出這些黑洞的典型質量。

一個包含超大質量黑洞的小星系的x光和光學圖像，其質量僅為太陽質量的幾萬倍。在這樣一個小星系中，黑洞的數量可能比我們銀河系中要少得多，但它們應該比我們星系中更有質量。圖片版權：X-ray: NASA/CXC/Univ of Michigan/V.F.Baldassare, et al; Optical: SDSS; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss

他們的發現有點違反直覺，大多數較小的黑洞(大約10倍太陽質量)是在銀河系大小的星系中發現的，但較大的黑洞(約50倍太陽質量)更有可能出現在矮星系中，只有我們自己的1%。根據首席作者奧利弗·埃爾伯特所說：根據對不同類型星系中恆星形成的了解，可以推斷出每個星系中形成了多少個黑洞。大星系是老恆星的家園，它們也有較老的黑洞。

這一切的原因都與在裡面的重元素的分數有關。

19世紀的超新星爆發了一次巨大的噴發，將許多太陽的物質從埃塔·卡林厄斯(Eta Carinae)的星際介質中噴射出來。像我們這樣質量恆星以一種在更小、更低金屬的星系中不存在的方式，噴射出大量的質量。圖片版權：Nathan Smith (University of California, Berkeley), and NASA

當形成一個巨大的恆星時它並不一定永遠是巨大的。恆星演化的物理學意味著許多恆星通過噴射事件在時間上失去質量。在它裡面的元素越重，恆星失去質量的可能性就越大，因此就更有可能形成質量較低的黑洞。在銀河系中有很多重元素，特別是越來越多一代的恆星。但在低質量的矮星系中，重元素要少得多，這意味著形成的黑洞可能會偏向於更重的質量。

恆星爆炸星系Henize 2 - 10，距離3000萬光年遠。更大的質量更高的星系比較小的星系有更多的黑洞，但較小的星系有更大質量的黑洞。圖片版權：X-ray (NASA/CXC/Virginia/A.Reines et al); Radio (NRAO/AUI/NSF); Optical (NASA/STScI)

但值得注意的是這是平均的，實際上許多不同質量的黑洞應該出現在所有類型的星系中。我們最終要回答的一個大問題是這些黑洞的質量分布可能在每個星系中。

對宇宙中恆星的總體數量以及它們出生時的質量分布有了很好的了解，所以我們可以看出有多少黑洞應該由100個太陽質量或10個太陽質量組成。我們能夠計算出有多少個大黑洞應該存在，最終以百萬計，比預想的要多。

這些巨大黑洞的大量存在，對於解釋LIGO最近發現的黑洞合併有著巨大的意義。

已知的雙黑洞系統的質量包括三個驗證的合併和一個來自LIGO的合併候選。圖片版權：LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)

在LIGO之前並沒有預料到30個太陽質量的黑洞會吸入和合併到一起，但LIGO已經告訴我們這些合併很可能是無所不在的。在最近的研究中有這麼多的黑洞，將告訴我們LIGO迄今為止所看到的可能並不是特別的或不尋常的。在如此多的黑洞中只有一小部分需要在融合的軌道上解釋LIGO信號，研究表明只有0.1到1%的黑洞的合併被LIGO看到。

雖然我們已經看到黑洞在宇宙中直接合併了三次，多虧了這項新研究我們可以準確地預測出不同質量分布的黑洞。圖片版權：LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

天文學家的下一步將是嘗試將引力波信號與光信號相互聯繫起來，以確定這些不同的合併和信號發生在哪個星系。在接下來的十年里如果這個事件的速度與這項新研究一致，我們應該預計會看到黑洞合併，其中一個成員的質量可能是50倍太陽質量。此外我們應該開始能夠辨別這些高質量的黑洞是否更傾向於聚集在較小的星系中，就像預測的那樣或者更大的星系是否佔主導地位。

巨大的恆星殘骸比以往任何時候都更加明亮。僅在我們的星系中就有1億個黑洞，在宇宙中擁有數千億個銀河系大小的星系，我們的技術和科學進步在回答這些問題只是時間問題。

參考：NASA、ESA、LIGO等

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：forbes

編譯：中子星

審校：博科園

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