星際巨獸超大質量黑洞:百萬甚至百億倍太陽質量

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  文章來源:墨子沙龍 微信公眾號  引言  地球黃沙遍野,小麥、秋葵等基礎農作物相繼枯萎滅絕,人類不再像從前那樣仰望星空,放縱想像力和靈感的迸發,而是每日在沙塵暴的肆虐下倒數著所剩不多的光景。這是經典科幻電影《星際穿越》呈現出的世界末日臨近的景象,但最終,博學的主人公庫珀通過天文學、物理學、數學以及密碼學知識成功地把未來的高科技傳輸給女兒,建立起星際文明,拯救了人類。

文章來源:墨子沙龍 微信公眾號

引言

地球黃沙遍野,小麥、秋葵等基礎農作物相繼枯萎滅絕,人類不再像從前那樣仰望星空,放縱想像力和靈感的迸發,而是每日在沙塵暴的肆虐下倒數著所剩不多的光景。這是經典科幻電影《星際穿越》呈現出的世界末日臨近的景象,但最終,博學的主人公庫珀通過天文學、物理學、數學以及密碼學知識成功地把未來的高科技傳輸給女兒,建立起星際文明,拯救了人類。

但也有人說,這部電影的真正主角是「卡岡圖雅」——一個超大質量黑洞,因為它在電影中呈現的模型是三十多個人、數千台計算機工作一年的成果,它注定會成為電影史上一個令人難以忘記的鮮明角色。當庫珀穿過蟲洞看到「卡岡圖雅」,我們也穿過茫茫宇宙,來領略下超大質量黑洞的神秘光芒,以及在光芒的掩映之下,人類對它已有的思考。

星際巨獸超大質量黑洞:百萬甚至百億倍太陽質量

星際穿越中的黑洞「卡岡都亞」(圖片來源網絡)

作者 | 鍾郅皓

責編 | 孫麗君 左文文

黑洞是什麼?

1915年,愛因斯坦提出廣義相對論,廣義相對論告訴我們,任何有質量的物體都會使周圍的時空彎曲,進而影響其它物體的運動軌跡,這就是引力的本質。就像圖2中描繪的地球,把它放在宇宙這個巨大的「幕布」上時,「幕布」會由於地球的質量而塌陷——也即地球周圍的時空發生彎曲,而彎曲的時空決定了其中物體的運動軌跡。這樣我們就明白月亮為什麼不能脫離地球,而是按固定週期圍繞地球公轉了。

星際巨獸超大質量黑洞:百萬甚至百億倍太陽質量

天體使時空彎曲(圖片來源網絡)

在愛因斯坦提出廣義相對論之後不久,同年的12月,德國的天文學家卡爾。史瓦西寄來一封信,給出了引力場方程的第一個精確解,這個解描述了一個球對稱星體外部的時空結構。他推論出,如果特定質量的物質被壓縮到某個特殊半徑範圍之內,時空將會在這個半徑處體現奇異的性質——這個半徑後人稱為史瓦西半徑。

每一個天體都有一個對應的史瓦西半徑,如果一個天體完全處於它的史瓦西半徑球體範圍之內,那麼它發出的光將無法逃脫自身的引力而隱身在茫茫宇宙之中,成為暗星,也就是黑洞。史瓦西半徑就是黑洞的視界,任何物質進入黑洞視界,都將無法逃脫。對於我們的地球來說,它的「史瓦西半徑」大約是9毫米,換言之,把地球壓縮到這麼小,它就會變成一個黑洞。而對於太陽來說,這個半徑大約是3千米。

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物體的「史瓦西半徑」與其質量成正比(圖片來源網絡)

在宇宙中,有一種黑洞可能是大家熟悉的,它由恆星演化而來。所有的恆星都有一定的壽命,它們的最終命運跟自身質量息息相關。太陽的質量在銀河系中並不算大,它在晚年會先變成一顆紅巨星,最終變成白矮星,走完自己的一生。但如果恆星質量超過太陽質量的10倍甚至更多,它將會以一種壯烈的方式終結自己的生命,這就是超新星爆發——隨著一次劇烈的爆炸,恆星外層的物質被拋向宇宙深處,內層的物質則發生塌縮。人們曾經認為,超新星爆發的最終產物就是中子星,一種相當緻密的由中子構成的天體。1939年,美國物理學家奧本海默在研究星體坍縮時發現,如果超新星爆發產生的中子星的質量超過了某個臨界值,它將會不可避免地在自身引力作用下繼續塌縮,最終完全落入自身的史瓦西半徑內,成為一個黑洞。

但我們今天討論的主角——超大質量黑洞(Supermassive Black Hole),不可能由恆星坍縮而成,這種黑洞的質量非常大,可以達到百萬,甚至百億倍太陽質量,一般位於大型星系的中心。圖5中這個漂亮的星系叫草帽(Sombrero)星系,看上去像一頂墨西哥草帽。在這個「草帽星系」的中心,有一個大約10億倍太陽質量的黑洞。

星際巨獸超大質量黑洞:百萬甚至百億倍太陽質量

草帽(Sombrero)星系(圖片來源網絡)

發現超大質量黑洞

——類星體中心在閃耀

1960年代初期,天文學家發現了一類叫「類星體」的天體,類星體是一種星系,因為看上去類似恆星而得名。它距離我們非常遙遠,但它們的中心區域非常亮,遠遠超過了普通的星系。於是問題來了:這些類星體中心發光的能量來自哪裡呢?

天文學家首先聯想到了太陽。上個世紀三十年代,人們確信太陽之所以能「精力旺盛」地發光發熱這麼久,是由於其內部發生的核聚變。但對於如此遙遠的類星體來說,中心區域如此耀眼,核能真的夠嗎?人們對核能的效率進行了計算,發現僅僅靠類似於恆星的核聚變過程,根本不足以支撐類星體的能量釋放,而對引力能的計算使天文學家確信,引力能的釋放效率遠大於核能。也就是說,類星體的能量來源於自身中心區域的引力。而要產生如此巨大的引力能,類星體的中心區域一定存在一個質量非常大的傢伙,同時這個中心區域的尺度並不大——超大質量黑洞成為最合理的解釋。

但既然黑洞發出的光是無法逃離視界被觀測到的,類星體中心的發光物質是什麼呢?其實宇宙中存在大量瀰散物質,物質由於黑洞的巨大引力落入類星體的中心,在這個過程中,物質的引力勢能轉化為動能,且運動速度越來越快,同時靠得越來越緊,在視界之外形成「吸積盤」。這些物質以接近光速的速度在吸積盤內相互摩擦,產生熱量,發出閃耀的光。類星體就是通過這種方式把自身的引力能轉化為光能,同時輻射出其他各種波段的電磁波。超大質量黑洞就像一隻智慧的巨獸,雖然隱藏在宇宙的幕後,但無法遮掩自己強大的勢場發出耀眼的光。

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超大質量黑洞的吸積盤(圖片來源wikipedia)

觀測超大質量黑洞

——確定「巨獸」質量

隨著天文學的發展,天文學家們發現除了類星體,許多星系的中心都有一顆超大質量黑洞,銀河系也不例外。那麼天文學家是怎樣得知黑洞的質量,來確定它超大質量黑洞的身份呢?

我們所處的太陽系在銀河系的外圍,離銀河系中心大約2.5萬光年。天文學家們用紅外波段的望遠鏡,視線可以直接穿過密集的星際塵埃觀測銀河系中心。在下面這張照片中我們可以發現,在銀河系中心一個很小的區域內,所有的恆星都在繞著同一個中心天體高速運動,通過直接觀測恆星的運動軌跡可以確定恆星的運動速度,已知恆星距離銀河系中心的距離,天文學家推算出中心天體的質量大約是四百萬倍太陽質量。所以通過紅外望遠鏡直接觀測和計算,我們可以得知在銀河系的中心,存在著一個四百萬倍太陽質量的超大質量黑洞。

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銀河系中心的高分辨率觀測

對於銀河系之外的遙遠星系,望遠鏡已無法分辨出單個的恆星,但我們可以利用星團的運動來確定是否存在超大質量黑洞。同樣的原理,只要知道這些星團距離星系中心的距離和運動速度,就可以計算出中心天體的質量。

那麼如何得知星團的速度呢?答案是測量星團發出的光的波長就可以了。當一個星團向我們靠近或者遠離時,由於「多普勒效應」,我們接收到的光的波長會發生變化,由此可以計算出它在視線方向上運動的速度。但要測量它們到星系中心的距離,則對望遠鏡的分辨率提出了很高的要求,這項艱巨的任務落在了哈勃望遠鏡(HST)的頭上。大部分時候天文觀測都在地面進行,觀測效果會受到大氣湍流的影響,而哈勃望遠鏡在地球大氣層的上方,它採集的圖像可以避免這一干擾,所以哈勃有著驚人的高分辨成像能力。

探索超大質量黑洞

——發現線性關係

十幾年前,有天文學家試圖把星系和中心黑洞的數據放在一起,居然發現:如果在x軸畫出星系核球(星系核心最亮的區域,有時即指星系本身)的質量,在y軸畫出中心黑洞的質量,這兩者居然體現出了非常嚴格的線性關係,核球質量越大的星系,中心黑洞的質量也越大。

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星系(核球)質量和超大質量黑洞之間的相關性(圖片來源網絡)

對於天文學家來說,發現一致的線性關係是一件非常令人興奮的事。如果中心黑洞質量和星系核球質量存在如此強的相關性,那就說明星系和中心黑洞之間會互相影響,甚至共同演化。這著實讓人吃驚,因為雖然超大質量黑洞的確「質量超大」,但是相比整個星系而言還是微不足道的,大約只有星系質量的千分之一。所以,星系是幾乎「感受」不到中心黑洞的引力的。那麼這兩者的線性關係到底從何而來呢?

這成了天文學界的熱門話題,研究者們圍繞這個問題提出了各種猜想。最終,大家認可了一種目前看來最合理的解釋:是黑洞吸積導致的「噴流」影響了星系的演化。儘管黑洞質量不是很大,但當大量的物質被黑洞吸積,會形成緻密熾熱的吸積盤,吸積盤的強輻射會將周圍的物質「吹走」。被「吹走」的物質在輻射的持續推動下甚至可以被加速到接近光速,形成壯麗的「噴流」。這種噴流可以延伸到很遠,有時可以超過星系的尺度,從而影響到星系的演化。比如,我們知道,恆星的形成需要大量的氣體在自身的引力作用下塌縮到一起,而「噴流」則可以把這些氣體都「吹散」,阻礙星系中的恆星形成,同時也可能會影響黑洞自身的生長。

對於那些暫時比較「低調」,還沒有形成噴流的黑洞,同樣可能會影響整個星系的演化。星系之間的併合可以「點燃」這些黑洞——當兩個星系開始靠近時,引力使氣體原料聚集到中心形成恆星,同時有大量氣體落入合併後的黑洞,原本不活躍的黑洞在吸積了大量物質後,開始向宇宙中釋放自己驚人的能量。這些能量對星系來說是災難性的,它會導致恆星停止生長,讓星系「死亡」。這時,黑洞自己也可能會停止生長。

超大質量黑洞的形成

我們已經知道,恆星量級的黑洞可以由大質量的恆星塌縮形成,我們也可以通過觀測和計算推算出超大質量黑洞的質量。那麼星系中心的超大質量黑洞是如何形成的呢?

一個比較自然的想法是:積少成多——小黑洞在吸積周圍物質的過程中不斷增長,最終變成了一個「巨無霸」。這樣的小黑洞我們稱之為「種子黑洞」,人們推測,種子黑洞在宇宙的早期就已經存在。那時候,宇宙中幾乎只有氫和氦兩種元素,這會導致這一時期形成的第一代恆星的質量非常大,最高可以達到百倍的太陽質量,燃料燒盡後坍縮形成的種子黑洞則可以達到數十甚至上百倍太陽質量。同時,宇宙早期的氣體團也可能在引力作用下聚攏,跳過恆星階段直接從氣體團塌縮形成黑洞。這樣形成的種子黑洞質量較大,可以達到上千到上萬倍太陽質量。

有趣的是,科學家們發現,早在宇宙誕生十幾億年以後,就已經有質量高達數十億倍太陽質量的黑洞存在。然而,按照上述方法增長的種子黑洞並沒有足夠的時間生長到這麼大。所以,除了老老實實地通過吞噬物質增加質量以外,超大質量黑洞必然存在其他的質量增長機制。星系併合是人類另一個比較自然的想法。沒錯,就像我們人類一樣,星系或許也是喜歡交朋友的,它們或許也是一種「群居動物」,因為引力總是把它們拉到一起。在宇宙早期,星系間的併合可能並不罕見。而幾乎每個大質量星系中心都有一個超大質量黑洞。所以在這個過程中,黑洞也可能併合到一起,形成更大質量的黑洞。

星際巨獸超大質量黑洞:百萬甚至百億倍太陽質量

超大質量黑洞的併合(圖片來源網絡)

這是一種很迷人的現象,如果真的存在超大質量黑洞的併合,就會產生能量巨大的引力波,其掀起的時空漣漪足以穿透宇宙,進入人類的探測範圍。但與LIGO探測到的高頻信號有所區別,對於十萬甚至百萬倍太陽質量的黑洞,它們的引力波週期可能會長達幾年,而不再是秒的數量級。另外,由於星系中有大量氣體,這種星系尺度的併合,還會伴隨著豐富的電磁波信號。人類期待著探測到來自超大質量黑洞併合的信號。

對星空的嚮往

近年來,中國對基礎科學研究的投入越來越多,對於天文也更加重視。不久前在貴州完工的500米口徑「FAST」望遠鏡,是世界上最大的射電望遠鏡。同時,中國也是造價60億歐元的「SKA」射電望遠鏡的成員。「SKA」和「FAST」都將是利用脈衝星計時來探測黑洞合併產生的引力波的領先設備。中國也是30米口徑望遠鏡項目的參與國,這是一個即將建設在夏威夷的巨型望遠鏡,它可以把人類的視野拓展到宇宙的邊緣。對宇宙的探索離不開望遠鏡技術的發展,作為一個研究天文的中國人,生活在這個時代是如此幸運。

抬頭仰望,這一片星空,似乎距離我們越來越近, 但當我們剛揭開一層面紗,它又總在展現更神秘的面目。人類為什麼要孜孜不倦地探索宇宙呢?借用探險家喬治·馬洛裡的一句話:「因為它就在那兒。」

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「FAST」望遠鏡(圖片來源網絡)

本文依據2018年1月20日墨子沙龍Luis Ho的報告《超大質量黑洞探秘》內容整理撰寫。

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