银河系隐藏了成千上万个黑洞


黑洞本身是不可见的,但是它们旁边的物质的X射线和无线电辐射可以使我们对它们的位置和物理性质有所了解。

几乎每个星系的中心都有一个超大质量的黑洞,在该黑洞的位置上,物质收集了数百万甚至数十亿个太阳的质量。 但是,它周围不仅应该有很多快速移动的恒星,而且还应该有由质量大的恒星的残骸形成的成千上万个较小的黑洞,这些恒星应该在银河系中心附近。 观察人马座A * (我们在银河系中心的重达400万太阳的怪物)周围的空间,我们发现了恒星,尘埃,气体,电磁辐射以及所有预期的东西,除了一个例外:没有证据表明存在这些较小的黑洞。 预计在直径只有六光年且中心位于人马座A *的区域将有超过一万,但在那里找不到它们。 也就是说,直到我们想出一种新颖的方法之前,仅去年一年,我们就找到了许多方法。 因此,这些黑洞确实存在,现在我们对如何找到它们有了一个想法。


X射线和红外线在我们银河中心的黑洞的合成图像:人马座A *。 它的质量为四百万个太阳,周围环绕着散发着X射线,恒星的热气体,甚至还有成千上万个较小的黑洞。

在银河系中心的黑洞周围的空间区域充满了只能在可见光谱之外才能检测到的物质。 尽管毫无疑问,那里有许多星光灿烂的光源,但充满银河系平面的灰尘足以阻挡所有光线,否则这些光线本来要经过25,000光年才能到达我们的眼睛。 但是在大波长下,在红外和无线电范围内,会有光可以穿透我们,并揭示出中心星体和气体的存在,而较短波长的X射线辐射可以为我们提供大量有关辐射的能量源以及在那里发生的事件的信息。


在各种波长的光中,银河系中心的图像显示出恒星,气体,辐射和黑洞以及其他来源。 但是,从它们发出的光,从伽马射线到可见光和无线电波,只能说我们可以在25,000光年或更长时间内捕获我们的仪器。

当我们研究射手座A *周围的空间时,我们看到大量的恒星围绕中心黑洞运动,并且在黑洞吸收各种物质团块期间出现周期性的闪烁。 从我们所看到的,我们可以想象这个空间区域是什么样的:充满物质的物质可以积极地创造恒星,并且富含重元素。 那里存在的气体和尘埃为活跃形成恒星创造了理想的环境,正如我们最好的理论所说,这正是在那里发生的情况。 许多质量各异的恒星应在那里形成,从中应获得大量的超新星,中子星和黑洞。 根据这些数据,我们对以下事实进行了评估:在距射手座A * 3光年的半径内,应该存在大约10,000-20,000个黑洞。


在银河系核心的一个超大质量黑洞旁边,发现了一大堆恒星。 除了这些恒星,气体和尘埃,我们预计在该区域距离射手座A *仅数光年之内就会有至少10,000个黑洞,但是到目前为止,很难检测到它们。

但是,尽管做出了预测,但在观察这些黑洞方面还是存在问题。 并且有一个令人信服的理由:大多数难以观察,因为它们不会发出我们可以捕获的辐射。 要检测孤立的黑洞是我们系统中唯一的恒星,我们没有一种可行的方法。 但是要查看存在于双星系统中的黑洞,其中黑洞和恒星会彼此移动,这是一种棘手的方法:我们正在寻找此类系统发出的明亮X射线。 根据天体物理学家Chuck Haley的说法

这是搜索黑洞的一种明显方法。 但是银河系中心离地球太远,以至于这种闪光足够强大和明亮,足以让我们看到它们,每100-1000年只有一次。

而且由于我们还不走运,我们需要一种不同的方法。


黑洞以吸收物质而闻名,它具有一系列事件,任何事件都无法逃逸。 但是它超出了视野,可以发出X射线。 由于BH邻居的进食缓慢,它既可以以大爆发的形式出现,也可以以恒定,相对安静的水流的形式出现

正是在这一刻,海莉的团队来了。 他们认识到,人们可以寻找在这些系统不活动期间应该存在的,能量较低的X射线波的痕迹,而不是寻找处于活动状态且具有耀斑特征的恒星和黑洞的双星系统。 海莉继续说:

如果具有黑洞的二元系统像具有中子星的二元系统那样不断发出强大的闪光,那将是很简单的,但是事实并非如此,因此我们不得不发明另一种寻找它们的方法。 当黑洞靠近小质量恒星时,这种伙伴关系会发出X射线闪光,该射线虽然较弱,但它们是恒定的并且可以被检测到。

在X射线范围内跟踪银河系中心的这种效应将花费大量时间,并且如果没有明确说明的目标,此类项目将无法获得批准。 但是Haley小组有了一张王牌:由于钱德拉X射线天文台的存在,这样的数据得以存在。


我们银河系的超大质量黑洞目睹了非常明亮的闪烁,但没有一个闪烁得像XJ1500 + 0134一样长。 由于此类事件,钱德拉收集了银河系中心19年的大量数据。

钱德拉(Chandra)定期观察银河系中心长达19年之久。 研究了完整的档案数据集后,研究小组发现了一件令人惊奇的事情:X射线显示黑洞和恒星中存在着十二个独立的,非活动的,安静的双星系统。 鉴于到目前为止,我们在银河系中仅发现了60个黑洞,这是其数量的严重增加-但不仅如此。 所有这12个BH /恒星系统都在射手座A *的三光年内,它们的存在使我们可以做一些更有趣的事情:估计该区域中存在的黑洞总数。 根据收集的数据,大约应有300-500个系统,其中包括一个黑洞和一个恒星,以及大约10,000个孤立的黑洞。


在银河系的中心,有恒星,气体,尘埃和(我们现在知道的)黑洞绕着银河系的中心超大质量物体旋转并相互作用。

这是一个了不起的发现,而且只有在我们银河系的框架内才有可能。 知道我们超质量黑洞附近存在大约10,000个黑洞,我们就可以评估每个具有超质量黑洞的星系中心发生的情况:成千上万的普通黑洞围绕它移动。 在2030年代,欧洲航天局将使用激光干涉仪(eLISA,以前称为LISA)的原理发射增强型空间天线,这是一种具有很长肩部的引力波空间探测器。 与LIGO敏感的小质量和小轨道周期的小空间系统不同,eLISA将首次能够检测出轨道周期长,螺旋长并与银河系中心的超大质量黑洞合并的黑洞。


在过去的两年中,在地球上发现了来自中子星和黑洞汇合的引力波。 通过在太空中创建引力天文台,我们可以将灵敏度提高到可以预测与超大质量黑洞合并的水平。

这是一项非常重要的研究,因为它为我们提供了eLISA所寻找内容的第一个真实证据,这进一步激发了我们寻找我们已经知道可能存在的事件的动力。 与LIGO黑洞不同,在这些和解过程中,我们将有数周,数月甚至数年的障碍,这将使我们清楚地知道何时以及在什么时候需要查看才能看到合并。 这是对星系中心超大质量黑洞周围存在数万个黑洞的理论的首次证实,它使我们能够更好地预测可以注册多少个引起引力波的相关事件。

我们所需的所有信息都在银河系的中心,包括我们的中心。 我们可以首次确定黑洞不是宇宙稀有性,它们在整个宇宙的每个星系中都大量存在。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN415211/


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