周齐040705 / 待分类 / 关于黑洞的一切及那些悬而未决的问题

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关于黑洞的一切及那些悬而未决的问题

2016-10-31  周齐040705


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导读


黑洞是一个非常奇怪的东西。它们是宇宙中最简单(只需要用质量、电荷、角动量三个数字就能描述任何一个黑洞),却又最费解的物体。


这个叫黑洞的什么家伙真的是一个大洞吗?实际上并不是,它是一个强大引力场的天体,是一颗衰老而接近死亡的恒星。它的中心热核燃料氢已经耗尽,核心的坍塌使它最终成为体积不断缩小、密度不断增大的星体。这个不断收缩的星体,以它巨大的引力,吸收它周围的一切物质。


介于黑洞的研究内容和观测手段五花八门种类繁多。在此仅按黑洞大小来分类,简单介绍目前黑洞界有待解决的问题。


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超重黑洞


几乎每个星系中央都有一个超重黑洞,大约10^6 - 10^10 M☉(M☉=1太阳质量)。


第一,这些超重黑洞是怎么形成的呢?


在红移z=6的地方就已探测到了高达10^9M☉的超重黑洞。说明这些黑洞在宇宙初期迅速就形成了。可它究竟怎么从一片小尘埃在短时间内形成一坨这么大的黑洞?动手一算,就会发现它收集周围质量的速度要超过爱丁顿极限才行(Eddington limit,理论上的收集质量的上限)。


怎么办?目前的几个解决办法:一个是这些超重黑洞是直接从灰尘团坍塌时就已经是较大黑洞了再慢慢收集灰尘进去,另一个是先形成许多小黑洞然后慢慢合并成大黑洞,还有就是千方百计去超过爱丁顿极限。但目前人类的科研水平都很实现困难。


第二,活动星系核(AGN)——吸积盘(accretion disk)、喷流(jet)的形成机制、宽线区(broad line region)的形状等等。


它们的几何关系大概如下图:



第三,潮汐撕裂事件,也会造成短期AGN,一个可怜的小胖星(胖了容易被撕裂)离黑洞太近了,然后就被潮汐力给撕裂了。


哭。以下NASA图解TDE。



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超重双黑洞

洞如其名,是上文提到的超重黑洞,但是有两个。这类双黑洞的存在猜想起源于Begelman, Blandford, Rees 1980。推论过程大概是:既然每个星系都有个超重黑洞在中间,我们又经常看到星系合并,那每次合并,两个星系中间的黑洞就(通过动摩擦力)掉到新的大星系中间去,变成双黑洞。


可是稍微算一下,你会发现这两个黑洞的环绕轨道缩短到大概1 parsec(秒差距,pc)后,就没有办法再缩短了,这,便是大名鼎鼎的 “最终秒差距问题”。理论上许多人尝试在解决这个问题——比如用很多尘埃、或者让更多恒星进来带走能量。

观测上,大家觉得,那不就是说到处都是距离1 pc的双黑洞咯?找了很多年,方法包括周期性的光变曲线,形状奇怪的宽线区,还有放射线强度比例。一些人说找到了:比如Graham++2015,Li++2016(国台+北大) ,但是让业界全体信服还需时间数据。强调一点,这里找的双黑洞是距离非常近的快要到引力波范围的。距离远的(~kpc)已经找到不少了(那类一般不叫black hole binary,而是叫dual black holes)如下图,因为分的比较开所以好找。



超重双黑洞的合并也可以产生引力波,但LIGO的波段测不到超重双黑洞,所以那要等到2034年以后,欧洲的eLISA(如下图)飞上天再说。


脉冲星计时阵(Pulsar Timing Array)也可以观测到,但是暂时还在找够脉冲星的阶段,暂时没成果。超重双黑洞的合并也可以产生引力波,但LIGO的波段测不到超重双黑洞,所以那要等到2034年以后,欧洲的eLISA飞上天再说。脉冲星计时阵(Pulsar Timing Array)也可以观测到,但是暂时还在找够脉冲星的阶段,暂时没成果。



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中级质量黑洞


100-10^6 M☉
中级黑洞...这个我也不知道要说什么...他们就是,不是很大,也不是很小...一个恒星造不出来,所以要两个恒星(或黑洞)撞击合并而成。目前没有任何探测(有一些探测但是还没有完全肯定)。

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恒星级黑洞

同学们都知道它们的存在——大于25M☉的恒星死了就都是这样的黑洞。被研究的恒星级黑洞大都是双星其中的一枚,它和AGN一样也会有吸盘,然后把围绕它的可怜恒星的血一滴滴榨干(如下图)。研究它们也是为了了解吸盘和喷流的机制,和超重黑洞有异曲同工之处。



恒星级黑洞的研究也有助于了解超新星爆炸的机制。目前在观测中有一个空白——恒星爆炸后,形成的中子星,最重是2太阳质量PSR J1614-2230,而观测到的最轻的黑洞,只有约4太阳质量。那么从2-4太阳质量之间,究竟是怎么回事呢?恒星爆炸前的质量,以及之后黑洞的质量之间,又有什么联系?

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原初黑洞

怎么说呢,做这个的人几乎都是闲来无事、或者喝大了做着玩儿的,自己都不大相信它们的存在。但是相不相信是一回事,有没有可能又是另外一回事了。原初黑洞尚未被证伪,所以做做玩,有益开脑洞,而且说不定真存在呢!

霍金最初在70年代提出银河里可能有原初黑洞,这些黑洞是在宇宙大爆炸物质密度极高时形成的,可以通过霍金辐射来观测到。后来另外一些人开始想,原初黑洞可以是任意大小,又看不到,那不就是完美的暗物质嘛。

不过最小的原初黑洞(存在的话)应该已经霍金辐射毁掉了。其次1-30M☉的也被微引力透镜的观测给排除了。大过100M☉的又被排除了,因为它们存在的话就会打乱宽轨双星(wide binary)的轨迹。所以就剩下30-100M☉的原初黑洞有可能存在了。。。

“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着,新的理论也不断地提出。不过,这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。




黑洞简史

湖南科学技术出版社


——转自湖南科学技术出版社


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