科学家目睹了一个黑洞的形成？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Daniel Perley（利物浦约翰摩尔斯大学天体物理学讲师），编译：Måka，头图来自：ETH

宇宙中有多少个黑洞？

根据一项最新的研究，在宇宙整体普通（重子）物质中，约有1%被锁在了恒星质量的黑洞中。令人惊讶的是，研究人员还估计出，目前在可观测宇宙中，黑洞的数量约为40,000,000,000,000,000,000个。

在过去的几年里，黑洞领域接连取得重大突破，我们不仅首次直接探测到黑洞并合时产生的引力波，还拍摄到了位于星系中心的超大质量黑洞的真实照片。

但是关于黑洞，我们仍然有太多事情不清楚。其中一个最大的谜团就是，它们最初究竟是如何形成的。

近日，一组研究团队认为，他们已经观测到了这个过程。研究人员观测到了一类与众不同的宇宙爆发事件，它可以为黑洞形成时发生的事情提供一些线索。研究结果已于近日发表在《自然》和《天体物理学杂志》的两篇论文中。

一、黑洞的形成理论  

在恒星一生中的大部分时间里，其核心核聚变反应产生的向外压力会与向内的引力相抗衡，使恒星保持稳定。然而，一旦恒星的燃料耗尽，核聚变反应停止，引力就会占据上风。恒星的内层会在引力作用下向内坍缩，并挤压到一种超常的密度。

大多数时候，当恒星的核心凝结成一个富含中子的固体球时，这种灾难性的坍缩就会停止。这导致了一种强大的反弹爆发，摧毁了恒星，也就是所谓的超新星爆发，最终留下一个被称为中子星的奇异天体。

但如果最初的恒星质量足够大，坍缩就会一直持续下去，直到恒星被压成一个引力奇点，一个黑洞便形成了。

虽然现在在整个宇宙中经常观察到恒星坍缩形成中子星的过程，但天文学家还不能完全确定，在坍缩成黑洞时会发生什么。

一些悲观的模型表明，整个恒星会被吞噬，几乎不留一丝痕迹。但还有人提出，坍缩成黑洞的过程会产生一些其他类型的爆发。例如，如果恒星坍缩时在旋转，一些向内掉落的物质可能会被集中到以高速逃逸出恒星的喷流中。虽然这些喷流不会包含很大质量，但它们可以带来很大的冲击力。如果它们撞上了什么东西，就释放的能量而言，造成的影响可能相当巨大。

如果我们能从观测到的类似爆发现象中发现一些线索，或许就有机会更好地了解黑洞形成的过程。这也是天文学家努力的目标。

二、最佳候选现象  

到目前为止，黑洞诞生时产生的爆发的最佳候选现象，是一种被称为长时间伽马射线暴的奇怪现象。

这类事件最早是在20世纪60年代由军用卫星发现的。科学家推测，这种现象是由于坍缩恒星中新形成的黑洞将喷流加速到令人难以置信的速度而引起的。

然而，这种设想的情景一直以来存在一个问题，那就是，伽马射线暴也会排出大量会持续闪耀数月的放射性碎片。这表明，恒星的大部分似乎是向外爆发到太空中（就像普通的超新星那样），而不是向内坍缩成黑洞。虽然这并不意味着黑洞不可能在这样的爆发中形成，但一些研究人员认为还应该有更自然的解释。例如，一颗超级磁化的中子星可能在这样的爆发中形成，并产生强大的喷流。

现在，新研究最近发现了一个（在他们看来）更好的创造黑洞的新候选事件。在2019年和2021年，研究团队在两个距离均约10亿光年之外的星系，观测到了一种异常快速的、转瞬即逝的爆发类型，它们源于少量极快速移动的物质猛烈冲击其邻近环境中的气体。

这类爆发非常难研究，因为它们发生的时间太短了，因此也常被称为暂现源，在整个宇宙中非常难找到。

在过去几年，科学家不得不连续使用几个天文台来描述这些爆发的特征，包括借助兹威基瞬变设施发现它们，利用利物浦望远镜和北欧光学望远镜来确认它们的性质，以及大型高分辨率的天文台（哈勃空间望远镜、双子座天文台和甚大望远镜）来分析它们的组成。

团队通过光谱学，也就是一种将光分解成不同波长的技术，他们推断出了每个事件中爆发的恒星的成分。

结果发现，这些光谱与沃尔夫-拉叶星（WR型星）非常相似。这是一类质量极大、高度演化的恒星，以最早发现它们的两位天文学家查尔斯·沃尔夫（Charles Wolf）和乔治·拉叶（Georges Rayet）命名。

令人兴奋的是，这些结果甚至可以帮助研究人员排除“正常”超新星爆发的可能性。结果显示，一旦快速移动的物质和环境之间的碰撞停止，光源实际上就消失了，而不是持续地发光。而这种情况，正是在恒星核心坍缩期间，恒星只喷射出少量的物质，其余部分的物质向内坍缩成一个巨大的黑洞时，会发生的现象。

两种更常见的爆发类型，包括正常超新星和伽马射线暴，以及一类新发现的转瞬即逝的爆发。| 图片来源：Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

三、并不是唯一的可能  

虽然研究团队目前倾向于认为这可能是黑洞形成时发生的现象，但它并不是唯一的可能性。

比如，最“乏味”的一种可能性是，这是一次普通超新星爆发，但在碰撞中形成了一个巨大的尘埃壳，将放射性碎片隐藏在了视野之外。还有一种可能，这次爆发是一种我们不熟悉的新类型，源自我们不熟悉的恒星。

为了回答这些问题，科学家还需要寻找更多这样的天体，来自类似事件的更多数据可能很快能帮助验证或证伪这种假说。它们还能帮助确定这些事件与其他类型的不寻常的快速爆发之间的联系。

但无论如何，科学家相信，我们似乎已经迎来了开始破解黑洞之谜的时代。

参考来源：

https://theconversation.com/black-holes-we-think-weve-spotted-the-mysterious-birth-of-one-174726

https://www.eurekalert.org/news-releases/940381

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