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    “直接坍塌”的黑洞可以解释宇宙中神秘类星体

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      普朗克

      【博科园-科学科普】如果你对本文有知识疑问等可在评论区留言,我们将尽可能的为你解答,同时也欢迎大家展开讨论。大家能学到知识,了解不曾知道知识信息,方不负作者撰写这样一篇科学科普文章。

      “直接坍塌”的黑洞可以解释宇宙中神秘类星体

      宇宙中最远的X射线射线,来自于类星体GB 1428,其距离和年龄大致相同,如类星体S5 0014 + 81;两者距离光年都有120多亿光年。图片/版权:X-ray: NASA/CXC/NRC/C.Cheung et al; Optical: NASA/STScI; Radio: NSF/NRAO/VLA

      当我们看到宇宙早期最明亮,最有活力的天体时,会有一个很大的问题。在第一批恒星和星系形成后不久,发现了第一批类星体:从电波到X射线,辐射的光线都是跨越电磁波谱的。只有一个超大质量的黑洞才有可能成为这些宇宙巨兽之一的引擎,而像类星体、blazar和AGNs等活跃物体的研究都支持这一观点。但是有一个问题:可能很难有这么大的黑洞来解释我们所看到的这些年轻的类星体。除非,这是一种新的方法来制造黑洞,今年天文学家找到了直接坍塌黑洞的第一个证据,这可能会导致我们长期以来寻求的解决方案。

      “直接坍塌”的黑洞可以解释宇宙中神秘类星体

      虽然遥远的类星体和活跃的星系核可以在可见光/红外光下成像,但是在X射线和电磁波谱中,最好能够看到它们自身和周围的发射,正如银河大力神A所示需要一个黑洞这样的一个引擎。图片版权:NASA, ESA, S. Baum and C. O'Dea (RIT), R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

      通常被称为“活跃星系”,几乎所有的星系都在其中心具有超大质量黑洞。但只有少数发射出与类星体或AGN相关的强烈辐射。领先的思想是超大质量黑洞会对物质起反应,加速和加热,导致它发生电离和发光。根据科学家们观察到的光线可以成功地推断出中心黑洞的质量,这个质量经常达到太阳质量的数十亿倍。即使是最早的类星体,如 J1342 + 0928,在宇宙大爆炸之后的六亿九千万年,也能达到八亿倍太阳质量:当时宇宙只有当前年龄的5%。

      “直接坍塌”的黑洞可以解释宇宙中神秘类星体

      概念图展示了迄今为止发现最遥远超大质量黑洞,它是大爆炸后6亿9千万年前类星体的一部分。图片版权:罗宾·迪纳尔/卡内基科学研究所

      如果试图以传统方式制造一个黑洞。那就是让大质量恒星变成超新星,形成小黑洞,并将它们合并在一起,就会出现问题。恒星的形成是一个剧烈的过程,就像核聚变点燃时,强烈的辐射会燃烧掉剩余的气体,否则就会逐渐形成越来越大的恒星。从附近的恒星形成区域到我们观测到的最远的区域,同样的过程似乎也在发生,阻止恒星(以及黑洞)在一定质量之外形成。

      “直接坍塌”的黑洞可以解释宇宙中神秘类星体

      对宇宙第一批形成恒星的概念图看,虽然恒星可能会到达几百甚至上千个太阳质量,但是很难看到你如何能得到黑洞质量,最早的类星体是已知的。图片版权:NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

      有一个非常强大和引人注目的标准场景:超新星爆炸,引力相互作用,然后通过合并来增长。但是我们看到的早期类星体的质量太大,无法用它来解释。另外一条已知的合并中子星的方法来创造黑洞,并没有提供进一步的帮助相反,第三种直接坍塌的情况是可能的。这个想法在过去一年得到了三个证据的支持:

      1、超年轻类星体J1342 + 0928的发现,拥有数百万呗太阳质量的黑洞

      2、理论表明,如果直接崩溃的情况是真的,可以形成比超新星所形成早几千倍的早期“种子”黑洞。

      3、而通过直接崩溃发现成为黑洞的第一颗恒星,验证了这个过程。

      “直接坍塌”的黑洞可以解释宇宙中神秘类星体

      除了由超新星和中子星合并形成之外,通过直接塌缩形成黑洞应该是可能的。这里所示的模拟表明,在正确的条件下,在宇宙的早期阶段可能会形成10万到100万个太阳质量的种子黑洞。图片版权:Aaron Smith / TACC / UT-Austin

      通常情况下,它是宇宙中最热,最年轻,最庞大,最新的恒星会形成黑洞。宇宙早期有很多这样的星系,但也有很多原始星系都是气体,尘埃和暗物质,而且还没有恒星。在这个浩瀚的宇宙中,我们甚至发现了一个这样的一对星系的例子:其中一个已经疯狂地形成恒星,另一个可能还没有形成。这个超遥远的星系被称为CR7,拥有大量的年轻恒星,附近有一块发光气体,可能还没有形成一颗恒星。

      “直接坍塌”的黑洞可以解释宇宙中神秘类星体

      去年被发现的遥远的星系CR7是由宇宙大爆炸直接形成的原始恒星组成的。其中一个星系绝是恒星;另一个可能还没有形成。图片版权:M. Kornmesser / ESO

      在今年3月份发表的一篇理论研究报告中,介绍了一种从这种机制中产生直接坍塌黑洞的迷人机制。一个年轻发光的星系可以照亮附近的一个伙伴,它可以阻止气体从碎片中分裂形成微小的团块。通常情况下,这些微小的团块会坍缩成单颗恒星,但是如果不能形成这些团块,那么就可以将大量的气体单片塌陷成一个单一的结构。引力就会产生作用结果可能是一个黑洞,它的质量是太阳的10万倍,甚至可能达到100万倍太阳质量。

      “直接坍塌”的黑洞可以解释宇宙中神秘类星体

      遥远的大规模类星体的核心表现出超大质量的黑洞。没有大种子就很难形成,但是直接倒塌的黑洞可以很好的解决这个难题。图片版权:J. Wise/Georgia Institute of Technology and J. Regan/Dublin City University

      然而,有许多理论机制是有趣的,但在实际的物理环境中却没有被证实。是否可以直接坍塌?我们现在可以肯定地回答这个问题,“是的”,因为第一个足够大到可以形成超新星的恒星被认为是简单的消失了,没有烟花,没有爆炸,没有增加亮度。只有一颗恒星,一瞬间被黑洞取而代之。正如哈勃望远镜前后发现的那样,毫无疑问,黑洞的直接坍塌发生在我们的宇宙中。

      “直接坍塌”的黑洞可以解释宇宙中神秘类星体

      来自哈勃望远镜的可见光/近红外照片显示了一颗大质量的恒星,大约是太阳质量的25倍,它已经不存在了,超新星或其他不能够解释。直接坍塌是唯一合理的候选解释。图片版权:NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)

      把这三个信息放在一起就会看到这些超大质量黑洞是如何如此形成的:

      1、一个空间区域坍缩形成恒星,而附近的空间区域也经历了引力坍缩,但尚未形成恒星。

      2、有恒星的区域会释放出强烈的辐射,在那里光子的压力使其他云中的气体从碎片变成可能的恒星。

      3、尘埃云本身继续崩溃,以一种单一的方式进行。它像这样消耗能量(辐射),但是里面没有任何恒星。

      4、当质量超过临界阈值时,可能是数十万甚至上百万倍的太阳质量,直接坍缩形成黑洞。

      5、从这个庞大的早期种子黑洞,很容易通过引力,合并,增长和时间的物理学得到超大质量的黑洞。

      这可能不仅是可能的,而且随着新的无线电望远镜阵列的建造,以及詹姆斯韦伯太空望远镜,我们也许能够见证这个过程。

      “直接坍塌”的黑洞可以解释宇宙中神秘类星体

      Karl Jansky超大阵列的一小部分,是世界上最大和最强大的射电望远镜阵列之一。图片版权:John Fowler

      CR7星系很可能是许多类似物体的一个例子。正如直接坍塌机制背后的理论家沃尔克·布罗姆(Volker Bromm)先前所说的那样,一个附近的发光星系会导致附近的气体云直接坍缩。所有需要做的是从一个开始:原始的氢和氦云,弥漫在紫外线辐射的海洋中。在暗物质晕的引力场中碾碎这片云。通常云能够冷却,碎片化,形成恒星,但是,紫外线光子使气体保持高温,从而抑制任何恒星的形成,这些都是想要的,近乎不可思议的条件:坍塌而不分裂!当气体变得越来越致密时,最终会形成一个巨大的黑洞。

      “直接坍塌”的黑洞可以解释宇宙中神秘类星体

      我们观测到的直接坍缩的恒星在亮度降至零之前,呈现出短暂的光亮,这是超新星爆发的一个例子。对于一大团气体来说,发光是可以预期的,但是没有必要以这种方式形成黑洞。图片版权:NASA/ESA/P. Jeffries (STScI)

      幸运的是到2020年,这一个长期存在的谜团,最终可能会被解开。


      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

      • 内容:“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:Forbes science

      • 编译:中子星

      • 审校:博科园

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    • Lv.29心宿二
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      拉格朗日
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      浩瀚天宇,总能让我的思绪去更远的地方~

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