黑洞是天体物理学家理解宇宙的重要组成部分——如此重要,以至于科学家们一直在试图对银河系中的所有黑洞进行普查。
但新的研究表明,他们的搜索可能遗漏了一整类他们不知道存在的黑洞。
在今天发表在杂志上的一项研究中科学,天文学家提供了一种寻找黑洞的新方法,并表明可能存在比宇宙中已知最小黑洞更小的一类黑洞。
俄亥俄州立大学(Ohio State University)天文学教授、该研究的主要作者托德·汤普森(Todd Thompson)说:“我们正在展示这一线索,表明在寻找黑洞的过程中,还有另一个我们尚未真正探索的群体。”爱博网站
“人们试图了解超新星爆炸,超大质量黑恒星如何爆炸,超大质量恒星中的元素是如何形成的。所以如果我们能发现新的黑洞群,就能告诉我们更多关于哪些恒星会爆炸,哪些不会,哪些会形成黑洞,哪些会形成中子星。它开辟了一个新的研究领域。”
想象一下,一个城市的人口普查只统计5英尺9英寸及以上的人——想象一下,人口普查员甚至不知道有5英尺9英寸以下的人存在。人口普查的数据是不完整的,提供的人口情况是不准确的。汤普森说,这基本上就是在寻找黑洞时所发生的事情。
长期以来,天文学家一直在寻找黑洞,黑洞的引力如此之大,以至于任何东西——包括物质和辐射——都无法逃脱。当一些恒星死亡、收缩和爆炸时,黑洞就形成了。天文学家也一直在寻找中子星——当一些恒星死亡和坍缩时形成的小而致密的恒星。
两者都能提供有关地球上的元素以及恒星如何生存和死亡的有趣信息。但为了揭示这些信息,天文学家首先必须弄清楚黑洞的位置。为了找出黑洞的位置,他们需要知道他们在寻找什么。
一条线索是:黑洞通常存在于所谓的双星系统中。这仅仅意味着两颗恒星彼此距离足够近,在引力作用下被锁在一起,绕着彼此运行。当其中一颗恒星死亡时,另一颗可以留下来,仍然围绕着死去的恒星(现在是黑洞或中子星)曾经生活过的空间,以及黑洞或中子星形成的空间运行。
多年来,科学家们所知道的黑洞质量都在大约5到15倍太阳质量之间。已知的中子星通常不超过太阳质量的2.1倍——如果它们的质量超过太阳质量的2.5倍,它们就会坍缩成黑洞。
但在2017年夏天,一项名为LIGO(激光干涉仪引力波天文台)的调查发现,在180万光年外的一个星系中,两个黑洞合并在一起。其中一个黑洞的质量大约是太阳的31倍;另一个大约是太阳质量的25倍。
汤普森说:“立刻,每个人都惊呼‘哇’,因为这是一件如此壮观的事情。”“不仅因为它证明了LIGO是有效的,而且因为它的质量是巨大的。这么大的黑洞是一件大事——我们以前从未见过。”
汤普森和其他天体物理学家长期以来一直怀疑黑洞的大小可能超出已知范围,而LIGO的发现证明黑洞可能更大。但是在最大的中子星和最小的黑洞之间仍然有一个大小窗口。
汤普森决定看看自己能否解开这个谜团。
他和其他科学家开始梳理APOGEE(阿帕奇点天文台银河演化实验)的数据,该实验收集了银河系约10万颗恒星的光谱。汤普森意识到,光谱可以显示一颗恒星是否在围绕另一个物体运行:光谱的变化——例如,向更蓝的波长移动,然后向更红的波长移动——可以表明一颗恒星正在围绕一颗看不见的伴星运行。
汤普森开始梳理数据,寻找显示出这种变化的恒星,表明它们可能在绕黑洞运行。
然后,他将APOGEE的数据缩小到200颗可能最有趣的恒星。他把数据交给了俄亥俄州立大学的研究生研究助理塔林杜·贾亚辛赫(Tharindu Jayasinghe),后者从ASAS-SN(全天超新星自动调查)中收集了数千张潜在双星系统的图像。(ASAS-SN已经发现了大约1000颗超新星,并在俄亥俄州运行。)
他们的数据处理发现了一颗巨大的红色恒星,它似乎在绕着什么东西旋转,但根据他们的计算,这个东西可能比银河系中已知的黑洞小得多,但比大多数已知的中子星大得多。
经过更多的计算和来自蒂林哈斯特反射梯队光谱仪和盖亚卫星的额外数据,他们意识到他们发现了一个低质量黑洞,可能是太阳质量的3.3倍。
“我们在这里所做的是提出了一种寻找黑洞的新方法,但我们也有可能确定了天文学家以前不知道的一类新型低质量黑洞中的第一个。”汤普森说。“大量的事物告诉我们它们的形成和演化,它们告诉我们它们的本质。”
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