多少恒星成黑洞

◆吳純新 符曉波

黑洞，宇宙中最神秘的天體之一，它的起源和形成講述著宇宙的過去和未來(lái)。近日，來(lái)自意大利國(guó)際高等研究院等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在《天體物理學(xué)雜志》上撰文稱，他們首次計(jì)算出恒星級(jí)質(zhì)量黑洞在整個(gè)宇宙中的數(shù)量及分布情況。據(jù)估計(jì)，宇宙中恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的數(shù)量達(dá)到了4000億億個(gè)。

圖1 LB-1藝術(shù)想象圖 （圖/新華社 喻京川 繪）

天文學(xué)家迫切希望摸清黑洞“家底”

通過黑洞誕生的幾率、恒星質(zhì)量、星系的金屬豐度等多個(gè)指標(biāo)，研究人員綜合評(píng)估得出了恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的數(shù)據(jù)。

恒星級(jí)質(zhì)量黑洞是大質(zhì)量恒星演化到終結(jié)的產(chǎn)物，它的數(shù)量中隱含著恒星、雙星形成和演化以及星系形成和演化的信息。研究這些黑洞的數(shù)量和質(zhì)量分布，對(duì)于理解星系和宇宙的結(jié)構(gòu)及演化具有重要意義，因此，宇宙中究竟有多少個(gè)黑洞也是現(xiàn)代天體物理學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)域最希望解決的問題之一。

一般而言，通過質(zhì)量可將黑洞劃分為恒星級(jí)質(zhì)量黑洞、中等質(zhì)量黑洞以及超大質(zhì)量黑洞三類?，F(xiàn)有理論認(rèn)為，恒星級(jí)質(zhì)量黑洞即5～150倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞由恒星走向生命終點(diǎn)后坍塌而成，這些黑洞互相之間也常發(fā)生并合事件，合并后的黑洞質(zhì)量更大。但科學(xué)家仍不明確，那些超大質(zhì)量黑洞是如何發(fā)展而來(lái)的。

圖2 黑洞的偏振圖像 新華社發(fā)（圖/中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)供）

科學(xué)研究表明，很多星系中心都“隱藏”著百萬(wàn)到百億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，而它們與星系之間有著緊密聯(lián)系，其中幾千到百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞被認(rèn)為是形成宇宙“巨型怪獸”的“重種子”，而恒星級(jí)質(zhì)量黑洞則是形成宇宙“巨型怪獸”的“輕種子”。因此，探測(cè)出兩類“種子”的數(shù)量及分布是研究超大質(zhì)量黑洞形成的理論基礎(chǔ)。

那么，宇宙中是否存在幾千到百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞呢？

目前只有一些觀測(cè)上的初步證據(jù)，實(shí)際中等質(zhì)量黑洞是否存在尚不清楚。但是，對(duì)于解釋一些出現(xiàn)在早期宇宙（宇宙誕生后8億年內(nèi)）中超過10億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞來(lái)說(shuō)，中等質(zhì)量黑洞的存在具有決定性意義。未來(lái)空間引力波探測(cè)或許能給出答案，告訴我們到底有沒有中等質(zhì)量黑洞，以及有多少中等質(zhì)量黑洞。

隨著望遠(yuǎn)鏡探測(cè)能力的不斷提升，人類對(duì)宇宙的探測(cè)越來(lái)越深入，與黑洞相關(guān)的很多現(xiàn)象都發(fā)生在宇宙學(xué)尺度，科學(xué)家觀測(cè)這些現(xiàn)象所獲得的天體性質(zhì)也是在宇宙尺度上的，估算跨越宇宙演化歷程的黑洞分布和數(shù)量對(duì)解釋超大質(zhì)量黑洞具有決定性作用，對(duì)天體物理研究是非常有意義的。

黑洞如何計(jì)數(shù)

黑洞引力非常大，無(wú)論是物質(zhì)還是輻射，甚至光都難以從黑洞內(nèi)部逃脫，也正因?yàn)槿绱?，人類無(wú)法直接看到它們。雖然無(wú)法直接觀測(cè)黑洞，但可借由一些間接方式得知黑洞的存在與質(zhì)量。例如，借由物體被黑洞吸入前因黑洞引力帶來(lái)的加速度而導(dǎo)致的摩擦放出的射線信息，可以推測(cè)出黑洞的存在，也可借由間接觀測(cè)恒星或星際云氣團(tuán)繞行軌跡來(lái)獲取黑洞的位置以及質(zhì)量。

要估計(jì)宇宙中究竟存在多少個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞，關(guān)鍵要弄清恒星級(jí)質(zhì)量黑洞在宇宙演化過程中的分布情況，這在天文學(xué)中被稱為黑洞的質(zhì)量函數(shù)。事實(shí)上，還可以使用雙星演化數(shù)據(jù)、其他不同的理論模型，或基于引力波探測(cè)的結(jié)果來(lái)估計(jì)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的分布，進(jìn)而得到宇宙中黑洞的數(shù)量。

該研究團(tuán)隊(duì)在此次研究中利用自己開發(fā)的恒星和雙星演化代碼結(jié)合宇宙演化歷程中星系物理性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)，得到了恒星級(jí)質(zhì)量黑洞在整個(gè)宇宙演化歷程中的質(zhì)量分布。因此，人們便可估算出目前整個(gè)可觀測(cè)宇宙中恒星級(jí)黑洞的總數(shù)量。

具體而言，首先需要基于已有的觀測(cè)知識(shí)給出宇宙演化歷程中星系的性質(zhì)，其中包括會(huì)對(duì)恒星和雙星演化產(chǎn)生顯著影響的恒星形成率、恒星質(zhì)量分布和金屬豐度分布等物理量。其次，利用代碼來(lái)追蹤這些恒星或雙星的演化過程。

只有那些大質(zhì)量的恒星才能在其生命盡頭發(fā)生超新星爆發(fā)并坍縮為黑洞，對(duì)于雙星系統(tǒng)，其伴星可能在演化中已經(jīng)被拋射出去或被摧毀，演化為孤立黑洞，也有可能形成雙黑洞系統(tǒng)，并輻射引力波。這項(xiàng)計(jì)算還考慮了雙黑洞系統(tǒng)由于輻射引力波而最終并合形成更大質(zhì)量的黑洞，從而導(dǎo)致黑洞的質(zhì)量分布變化的情況。

基于黑洞質(zhì)量分布的估計(jì)，雖然宇宙中黑洞的數(shù)量大得驚人，但其總質(zhì)量仍只占宇宙中普通物質(zhì)的1%左右。其中，超大質(zhì)量黑洞占比更少。通常一個(gè)星系只有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，這表明大部分的普通物質(zhì)仍存在于星云中，這里是恒星誕生的地方。這些普通物質(zhì)將繼續(xù)驅(qū)動(dòng)恒星誕生和演化，并影響星系的結(jié)構(gòu)和演化。

知曉總數(shù)科學(xué)意義重大

了解宇宙中恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的總數(shù)可幫助人類進(jìn)一步理解，宇宙“巨型怪獸”是如何從“輕種子”黑洞成長(zhǎng)起來(lái)的，進(jìn)而讓人們對(duì)恒星演化、星系演化等基本天體物理過程有更深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)雙黑洞系統(tǒng)的形成渠道有更清楚的分辨，對(duì)雙星演化涉及的物理過程有更好的理解。

恒星級(jí)質(zhì)量黑洞是明亮X射線源、超新星爆發(fā)、短時(shí)標(biāo)伽馬射線暴和千新星等高能天體物理現(xiàn)象的中心天體，了解黑洞的數(shù)量和質(zhì)量分布會(huì)加深我們對(duì)這些天體現(xiàn)象及其物理本質(zhì)的理解，對(duì)這些劇烈爆發(fā)事件的發(fā)生做出預(yù)判。而這些高能現(xiàn)象也是生產(chǎn)宇宙中重元素的“工廠”，對(duì)人類進(jìn)一步理解生命的起源也至關(guān)重要。

此外，雙黑洞系統(tǒng)是重要的低頻和高頻引力波源，是“天琴”“太極”等空間引力波探測(cè)器和地面引力波探測(cè)器的目標(biāo)源，對(duì)黑洞分布的進(jìn)一步了解將幫助人類在更高精度研究黑洞物理、限制宇宙學(xué)參數(shù)，以及檢驗(yàn)引力理論。

研究團(tuán)隊(duì)將恒星和雙星演化模型與宇宙演化歷程中星系物理性質(zhì)結(jié)合，這種研究思路受到相關(guān)學(xué)界普遍認(rèn)可，其測(cè)算結(jié)果也與地面引力波探測(cè)器估計(jì)的結(jié)果基本吻合。但也有研究人員指出，研究中用到了很多簡(jiǎn)化和假設(shè)，例如只考慮了孤立恒星和雙星演化形成黑洞的途徑，而形成黑洞的其他渠道，例如星團(tuán)、活動(dòng)星系核吸積盤等并未被考慮在內(nèi)，這些渠道對(duì)較大質(zhì)量的恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的形成也很重要。未來(lái)，或許將有更多關(guān)于黑洞的研究揭示出更多黑洞的秘密。