由三個超大質量黑洞聚首引發的懸案:消失的物質到哪兒去了?

2020-12-01 川陀太空

《由三個超大質量黑洞聚首引發的懸案：消失的物質到哪兒去了？》

本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文

SDSS J0849 + 1114，這是個非常典型的三個黑洞聚首的情況，在宇宙中比較罕見，距離地球大約10億光年。通過SDSS斯隆數字巡天結果，我們發現了關於三黑洞聚首群居的一些奧秘。

黑洞是宇宙中最神秘的天體之一，其特點是表面逃逸速度超過光速，光是無法從黑洞表面逃離。黑洞與時空的分界線就是事件視界，當然我們的科技還無法全面探測一個黑洞的事件視界邊緣。那麼在黑洞內部，有一個密度趨於無限大的奇點，在這個奇點位置，所謂的物理定律是失效的，當然可能存在一些我們還不知曉的物理定律控制著黑洞內部奇點的行為，能肯定的是現有物理定律在奇點處不適用。2019年4月，第一張黑洞照片被公布，我們能夠拍到黑洞，完全得益於黑洞進食的行為，在黑洞「吃東西」的時候，黑洞是非常明亮的，各種輻射都開掛了，就像一個甜甜圈造型，非常可愛。

圖註：SDSS J0849 + 1114中存在三個黑洞，也是三個星系合併到末期的情景

三大黑洞聚首

黑洞有時候單獨行動，也有時候是群居的，似乎和人有點相似。獨居的黑洞一般位於某個星系的中心，比如銀河系中心的400萬倍太陽質量黑洞，銀河系只有這個黑洞最大，屬於超大質量黑洞。那麼黑洞群居時就有點恐怖了，多個黑洞聚首，也意味著這裡的時空是非常複雜、混亂的。比如SDSS J0849 + 1114，這是個非常典型的三個黑洞聚首的情況，在宇宙中比較罕見，距離地球大約10億光年。通過SDSS斯隆數字巡天結果，我們發現了關於三黑洞聚首群居的一些奧秘。

圖註：Gal 1、Gal 2和Gal 3三個黑洞聚首

從圖中可以看出，三個黑洞的分布比較清晰，分別為Gal 1、Gal 2和Gal 3三個黑洞，邊上的比例尺是7KPC，表示的是7個千秒差距，相當於2.1萬光年，大致等於太陽繫到銀河系中心的距離。三個黑洞如等高線地形那般標記出來，發亮的部分就是黑洞事件視界的觸及範圍，可以看出Gal 1和Gal 2的質量較大，在圖中顯示出的輻射更加強大，一邊吞噬物質的同時，也迸射強烈光芒，兩者也更加靠近，而Gal 3就遠了一些。三個黑洞之間還有數千光年的距離，此時的三個黑洞只能說外圍物質發生接觸，這些物質包括比如黑洞周圍的天體集群等。

消失的物質

三個黑洞聚集的畫面最明亮的就是Gal 1黑洞，其質量也是最大的，引力控制範圍也更大。在Gal 1周圍，從哈勃太空望遠鏡的可見光圖像上看，Gal 1周圍聚集了大量的物質，一部分是Gal 1所在星系周圍的物質，還有一部分是Gal 1吞噬的物質。Gal 1吸積物質之後，這些物質就進入黑洞中消失了，那麼這些消失的物質去了哪兒？

首先可以肯定的是，黑洞強大的潮汐力會將物質劇烈拉伸，變成所謂的「義大利麵」，這個說法在霍金的時間簡史中也提到過，義大利麵化的物質最終變成了粒子抵達奇點。多年來，科學家一直在研究，被黑洞吸積的物質是否進入另一個時空》這個想法不是沒有道理，至少在1935年的時候就有愛因斯坦-羅森橋作為理論基礎，我們在理論上建立了宇宙不同時空之間通道的可能。

在1980年代，基普索恩將這個理論進一步放大和延伸，試圖探討是否存在蟲洞這樣的通道，讓物質從另一個時空噴射出來。2014年，在物理評論D期刊上給出了一篇研究論文，指出黑洞吞噬的物質進入了另一個時空，這裡高度扭曲，隨著黑洞蒸發的持續，最終會將物質全部歸還到宇宙中。這種歸還的方式可能是噴射，也可能是隨著蒸發緩慢還給宇宙。

因此我們不難得出，黑洞吞噬下的物質只有兩個去處，第一個就局限在黑洞所控制的時空內，隨著黑洞蒸發、死亡而重新「吐」出來，雖然最終的結果仍然是以粒子流的形式；第二個去處是通往宇宙的另一個時空，其建立方式是愛因斯坦-羅森橋式的蟲洞結構，連通兩個時空，黑洞是進入的，另一端是出來的。

鑑於我們這些年發現了快速射電暴，也有科學家認為快速射電暴可能是黑洞吞噬的物質從另一端噴射出來的出口，鑑於我們還沒有搞清楚快速射電暴的機制，姑且也可以將快速射電暴列入黑洞物質出處的可疑名單。SDSS J0849 + 1114系統中三大黑洞聚首，帶給我們思考的不僅僅是黑洞吞噬物質去處的問題，還有黑洞演化、成長的問題。

綜上，黑洞吞噬的物質去處有兩個可能的去處，一個是留在黑洞內部，不斷增加黑洞質量，另一個是通過愛因斯坦-羅森橋式的時空結構在另一處宇宙空間噴射出來。對於科學家而言，下一步的突破口將是快速射電暴，為什麼該機制能夠在幾毫秒內噴射出太陽一天內釋放的能量，還有重複源和非重複源之分。揭開這個問題，或許對黑洞吞噬的物質去處有一定的促進。

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