质量分布间隙难题:麒麟座的新发现能否揭开小质量黑洞之谜?

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  小质量黑洞无处可寻,天文学家甚至怀疑它们根本就不存在。近日,包括麒麟座(Monoceros,又称独角兽座)黑洞在内的一系列发现,为解开这个长达十年之久的谜团带来了希望。

  大约十年前,美国亚利桑那大学的天体物理学家费娅尔·厄泽尔及其同事注意到一个奇怪的现象。尽管天文学家在银河系中发现了各种各样的可能黑洞,但似乎没有一个黑洞的规模低于一定大小。“似乎找不到质量低于5倍太阳质量的黑洞,”厄泽尔说,“从统计学上讲,这是非常显著的。”

  2010年,费娅尔·厄泽尔发表了一篇关于这个问题的论文,但直到现在,即使激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波探测器(Virgo)已经识别出数十个隐藏的黑洞,这个“质量分布间隙”难题也一直没有得到解释。

  随着时间的过去,厄泽尔等天体物理学家开始思考:小型黑洞究竟是很难发现,还是根本就不存在?美国西北大学的天体物理学家、LIGO团队的主要成员维姬·卡洛吉拉说:“重要的是要通过观测来确定这个质量分布间隙究竟是真实的,还是观测时的人为因素导致的。”

  近期的一项研究发现,观测中的人为因素可能才是导致质量分布间隙的原因。在过去的两年里,研究人员发现了几个可能处于质量间隙的黑洞。而在2021年1月的早些时候,天文学家披露了其中可能是最能够说明问题的证据:一个具有2.9倍太阳质量,被昵称为“独角兽”(the unicorn)的天体。

  在LIGO之前,天文学家发现黑洞的主要方式是寻找黑洞吸入附近恒星物质时产生的X射线,或是探测黑洞对双星系统中另一颗恒星的引力效应。探测“独角兽”黑洞的研究人员采用了后一种方法,专注于探测一个距离地球约1000光年、名为“麒麟座V723”(V723 Monoceros)的系统。他们利用多台太空望远镜,包括目前正在绘制银河系中数十亿颗恒星位置的盖亚卫星,以及美国国家航空航天局的系外行星搜寻凌日系外行星勘测卫星(TESS),对其中一颗红巨星的运动进行了研究。

  研究人员得出的结论是,这颗红巨星似乎正在与一颗看不见的伴星“共舞”。他们写道:“对黑暗伴星最简单的解释是,这是一个单一的致密天体,最有可能是一个处于‘质量分布间隙’的黑洞。”

  如果这一发现得到证实,将有助于阐明大质量恒星在生命结束时所呈现的细微差别。当一颗巨星耗尽燃料时,其质量会向内流动,核心也会坍缩。如果进入核心的物质爆炸并克服恒星引力的话,它就会爆发成超新星;但如果质量太大,恒星就会继续坍缩,形成黑洞。

  “这是爆炸发生和黑洞形成之间的竞赛,”近期这项研究的合著者、美国俄亥俄州立大学的理论天体物理学家托德·汤普森说,“这场竞赛必须在大约一秒内分出胜负。如果它在那一秒内没有爆炸,就会形成黑洞。如果爆炸了,则会留下一颗中子星。”

  究竟是什么决定了一颗恒星是爆发成超新星还是坍缩成黑洞,目前尚不清楚。“超新星爆发的实际物理过程是一个巨大的未知数,”汤普森说,黑洞的质量分布间隙“可能是这一过程的重要线索。”

  到目前为止,研究人员已经在质量分布间隙中获得了一些初步发现。德国哥廷根大学的本杰明·盖泽尔及其同事在2018年发现了一个可能的4.4倍太阳质量黑洞,而在2019年,托德·汤普森和同事发现了一个3.3倍太阳质量的黑洞。

  2020年,LIGO的科学家宣布探测到一个质量是太阳2.6倍的天体,这是一个非常吸引人的可能黑洞,其质量刚好处于质量分布间隙中。“质量间隙黑洞的最可能例子来自LIGO,”汤普森说。

  然而,在如此“低”的质量下,天文学家很难区分黑洞和中子星的区别,因为后者理论上可以累积到3个太阳质量的最大值。根据不同的条件,中子星也可能会变暗。“如果中子星是一颗光束指向你的脉冲星,它的一些特征会表现得非常明显,”美国德克萨斯理工大学的黑洞和中子星专家汤姆·马卡罗内说,“但如果不是指向你,就很难把它与黑洞相区分。”

  不过,LIGO最近发现的这些黑洞仍未得到证实,麒麟座V723也是如此。“它看起来很有希望,”费娅尔·厄泽尔说,“我认为他们的方法是合理的,分析也很仔细。至于它可能是什么,还有其他一些可能性,但他们得出的结论——它最有可能是一个2.9倍太阳质量的黑色天体——在我看来似乎很合理。”

  并非所有人都如此肯定。首先,这个系统可能不是一个双星系统,而是一个三星系统,缺失的质量来自两个较小的天体。马卡罗内表示,如果麒麟座V723真的存在一个黑洞,那它应该会把物质从它的伴星上拉走,并产生X射线。“从黑洞的角度来说,它的X射线光度非常微弱,”马卡罗内说。

  该天体本身的质量也存在不确定性。虽然最准确的估计是2.9倍太阳质量,但研究作者表示,它的质量可能在2.6倍至3.6倍太阳质量之间。“这个范围太宽了,我们无法确定这是不是一颗中子星,”LIGO团队的维姬·卡洛吉拉说,“在观测中,我们还没有任何方法来区分这是中子星还是黑洞。”

  如果这一发现被证明不是黑洞,特别是如果其他候选黑洞也经不起审查的话,那么,也许根本就不会形成低于5倍太阳质量的黑洞。这一结论如果成立,将对我们理解超新星的物理机制有重要的意义。“如果真的存在一个质量分布间隙,就意味着存在某种非常快速的爆炸机制,”马卡罗内说,“我们还不清楚是什么推动了超新星爆发,以至于对可能发生的事件存在较大的理论偏差。”

  但如果麒麟座V723的黑洞真的存在,那它可能只是质量分布间隙中等待被发现和研究的众多黑洞之一。“这就是这篇论文令人兴奋的地方,”厄泽尔说,“如果我们能知道更多这样的天体,而不止是一两个的话,或许就能理解是什么过程导致了这些小质量黑洞。”(任天)

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