如果說,宇宙是一片弱肉強食的「黑暗森林」,而每一個文明都是潛行的獵手;那麼,黑洞絕對是終極的潛藏之地。
作為「黑暗森林」裡真正的隱匿秘境,黑洞既不發出光,也不反射光。因此,沒人能直接獲取它的信息。
正因為神秘,對它的研究也更令人著迷。在如今的天文學領域,黑洞研究可謂舉足輕重。為了更好地驗證、完善黑洞理論,天文學家們無時無刻不在浩瀚的宇宙中搜尋它們的蹤跡。
然而,對於這些從不對外吐露信息的黑洞,我們到底是如何尋找它們的呢?
01
存在必有痕跡,沒有什麼能孤立於世。
在距離地球1000光年外,也有一個類似《三體》的三合星系統,編號HR6819。
前不久,5月6日歐洲南方天文臺突然發布消息,認為HR6819中有一個看不見的天體,而它很可能是一個「安靜」的黑洞。
早在2004年,天文學家們就盯上了HR6819,隨後發現其中一顆恆星總是以某個點「搖擺」,這意味著它的附近有某種看不見的引力源。
根據長時間的觀測數據,研究者計算得出一顆正常的恆星無法在那顆搖曳的恆星光亮下隱藏起來,而且其質量至少是太陽的4.2倍。
這太重了,它不可能是一顆中子星,更可能是一個黑洞。
在天文學中,通過觀測雙星系統的引力效應,是探測黑洞的一個重要手段。
因為一顆普通恆星常和一顆看不見的「恆星」組成雙星系統。距離不是問題,只要可見恆星足夠明亮,在光譜中顯示清晰的線條,我們就可以計算出它在軌道上的移動速度。如果再能知道雙星的傾角(指雙星軌道平面與所見的天空平面之間的角度),就可以計算出看不見「恆星」質量的下限與上限。
如果測出的最小質量大於中子星的最大質量(約3.2倍太陽質量),那麼看不見的「恆星」就很可能是黑洞。然而這種間接方法還不足以確定黑洞,所為HR6819中隱藏的那個不明物體還只能稱為黑洞候選者(Black Hole Candidates)。
目前來說,HR6819中可見恆星的質量是依賴於一個假設計算而來。如果這個假設錯了,那麼這個不明物體的質量可能就會小一些,變成一顆黯淡的中子星,甚至是一顆非常輕的普通恆星,根本就不是黑洞。
02
新發現的這個黑洞候選者之所以「安靜」,因為它並不像我們以往發現的那些黑洞一樣發出強烈的X射線,而大多數黑洞候選者都是X射線雙星(X-ray Binaries)的成員。
所謂的X射線雙星,就是一個釋放X射線的雙星系統。它們是宇宙中第一批被發現的X射線源(除了太陽和類似太陽系來源)。
X射線雙星有兩種不同的類型:高質量X射線雙星(HMXB)和低質量X射線雙星(LMXB),它們具有不同的性質。
高質量X射線雙星最初源於兩顆不同質量的恆星系統,它們圍繞著共同的質心旋轉。質量越大的個體演化速度越快,在幾百萬年之後,首先走向生命的盡頭,膨脹為一顆巨星。
其膨脹的外層反而會被質量小的伴星所吸食,然而這並阻擋不了它最終在超新星中爆炸,留下一顆中子星或黑洞。這可能會破壞雙星系統,但如果這顆恆星在爆炸時的質量比它的伴星小,那麼它們的系統就會保持下來,儘管軌道可能會更偏心。
隨後,伴星走向生命的盡頭膨脹成為一顆巨星。然後,它鬆散的外層又將被中子星或黑洞吸食,進入HMXB階段。
伴星的氣體通過系統的洛希瓣(Roche Lobe)落入中子星或黑洞的引力勢井,形成一個氣體的吸積盤。伴星原本的引力勢能被轉化為吸積盤上的氣體動能。吸積盤上的氣體由遠到近,動能逐漸增加,當靠近黑洞時,動能就會瘋狂增加。由於氣體動能與其溫度成正比,動能越高,產生的光子輻射能就越高,再加上由黑洞形成的噴流,就會產生強烈且持續的X射線。
天鵝座X-1就是這種類型的X射線雙星。不過它強烈的X射線不僅是因為吸積盤,還因為它有一個比太陽日冕強10000倍的日冕,而這大部分能量都是由黑洞巨大的引力驅動的。
低質量X射線雙星的起源還不太清楚。最有可能的解釋是,它們源於一顆緻密天體的引力捕獲。一顆原本孤零零的恆星殘餘,在星際旅程中,捕獲了另一顆恆星並緩慢吸食它,這種雙星系統會更穩定。
如果是中子星,質量的轉移會使它旋轉加快,甚至變成一顆每秒轉數高達千次的毫秒脈衝星。
低質量的X射線雙星傾向於以爆發和瞬變的形式發射X射線,它們發射的X射線能量也更低,以至於有些我們並不一定能發現。
03
在高質量X射線雙星中,那顆看不見的物體有可能是黑洞,也有可能是中子星。
中子星和黑洞的重要區別在於:黑洞沒有堅硬的表面。當伴星的氣體落入黑洞時,不可能在表面發生核爆炸,而當氣體物質堆積在中子星表面時,可以將中子星「點燃」,就像在恆星核心一樣。這會導致其最大的可見熱核閃光。X射線發射可以上升10倍,然後再次衰弱。
這樣看來,如果高質量X射線雙星中伴有核爆炸的發生,那麼這顆星一定是中子星,而不是黑洞。然而,實際情況並非如此。因為在吸積盤中的氣體也有可能發生核爆炸的耀斑。
不過,物質在進入視界時會丟失,所以黑洞周圍的吸積盤應該比中子星暗一點。一些觀測證據已經證明了這一特徵。當然前提是我們沒正對黑洞噴流方向。
除了在高質量的X射線雙星中,還有其他地方可以發現黑洞。
1、超新星的遺蹟
當一些超新星遺蹟中沒有中子星的證據,就很可能有一個黑洞誕生其中。
2、γ射線暴
天文學家認為在一顆絢爛無比的超新星中,形成一個快速旋轉的黑洞時,就會發生γ射線爆發。
3、引力透鏡
在宇宙中大大小小的天體產生的引力場都會使得空間彎曲,從而使光看起來像在彎曲的路徑上傳播。
如果一個黑洞擋在了恆星前面,我們仍然可以看到恆星發出的光,因為光會圍繞著黑洞移動,黑洞會放大後面恆星的光,使得恆星變得更亮。這稱之為引力透鏡效應。而且根據放大的效果,我們可以計算出充當「透鏡」的黑洞質量。
然而,這種光亮的變化可能源自引力透鏡效應,也可能源自恆星自身。要區別它們就需要記住一個重要事實:經過透鏡放大的星光,藍光和紅光都會以同樣的亮度變亮,而如果這顆恆星碰巧自己亮了,藍光和紅光就不會以同樣的速度增加。
4、星系核心
現在的研究表明,每個星系的中心都有一個超大質量的黑洞。比如我們的銀心就潛藏著一個百萬倍太陽質量的超大黑洞。
這些黑洞以它那宇宙洪荒之力,攪動著整個星系,為宇宙汪洋掀起星星點點的浪花,但歐洲南方天文臺的Marianne Heida認為,銀河系中絕大多數黑洞實際上都很「安靜」。
在我們的銀河系中,大約潛藏著1億多個黑洞,而我們至今發現的黑洞不過100個左右。如果HR6819中那個黑洞被證實,它或許是離地球最近的一個。
尋找這些「安靜」的黑洞,在未來相當一段時間內,將是天文學家需要攻克的一大難題。
對於這些黑洞,雖然我們未曾真正見上一面,甚至從未直接獲取關於它們的信息,但我們卻能通過想像、推測、檢驗……進而確認它們的存在,想來真是不可思議。
以人類自身的局限性來說,黑洞代表著宇宙的一種終極未知,而為了越來越靠近這些未知,我們首先需要尋找到更多的黑洞。
無論黑洞是否是連接另一個時空的通道,但它至少是連接已知與未知的橋梁。
至於「黑暗森林」裡的黑洞,是否潛藏著高級文明的獵手,就交給大家去腦洞了!