《邵恒头条》135期: 一个黑洞为什么会挑战天文学规律?

《邵恒头条》135期: 一个黑洞为什么会挑战天文学规律?

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你好,这里是《邵恒头条》,我是邵恒。 昨天,天文学领域发生了一件大事,你可能也关注到了,我国的天文学家发现了最大质量的恒星级黑洞。 11月28日,《自然...

你好,这里是《邵恒头条》,我是邵恒。

昨天,天文学领域发生了一件大事,你可能也关注到了,我国的天文学家发现了最大质量的恒星级黑洞。

11月28日,《自然》杂志发布了这项重大发现。中国科学院国家天文台的刘继峰、张昊彤研究团队,用咱们国家自主研制的郭守敬望远镜(LAMOST),发现了在银河系里的恒星黑洞,质量达到70倍太阳质量。

这里说明一下,太阳质量是天文学里常用的一个衡量单位,顾名思义,相当于一个太阳的质量。这个单位,在研究恒星和黑洞的时候经常会用到。

其实,发现黑洞已经不能算是什么新闻了。如果你关心天文学,你肯定知道,咱们人类不只发现了黑洞,今年4月,还给黑洞拍了照片。

那次拍摄的黑洞,质量可以达到太阳质量的65亿倍。而这次发现的黑洞呢,才只有70倍太阳质量。所以,为什么说这个发现是个大事呢?

用黑洞发现者刘继峰老师的话来说,这次的发现之所以是个大事,是因为我们现有的所有天文学知识,都不足以解释这个黑洞的存在,“天文学因为这个黑洞的出现,进入了禁区”。

就这个问题,我第一时间咨询了得到上《天文学通识30讲》的主理人,高爽老师。在今天的《邵恒头条》中,我就来跟你分享一下高爽老师的解读,这个黑洞,到底它怪在哪。

高爽老师告诉我,这个黑洞怪就怪在,它的质量非常特殊。

黑洞按照质量来划分,可以分为三种。我国这次发现的恒星级黑洞,又叫小质量黑洞。按照基本的理论模型,这种黑洞的质量,是100倍太阳质量以下。

不过,这个100倍太阳质量只是一个标准,一个边界,实际上,不论是理论上还是观测中实际看到的,小质量的黑洞根本就不会超过30多倍太阳质量。

因为一个恒星,死亡之后大量的物质都被吹开了,最后形成黑洞的质量,一般只有原来恒星的20%。而这次发现的黑洞,达到70倍太阳质量,在现有的理论框架下,根本无法解释。

要想形成70倍太阳质量的黑洞,只有三种可能性:

第一,恒星本身更加巨大,要达到300倍太阳质量以上;
第二,恒星死亡后吹出去的外壳物质很少,大部分都留在了核心成为黑洞;
第三,这次发现的黑洞,是由两个黑洞合并而成。
但是,高爽老师说,从现有的理论来看,这三种可能性都不大。咱们一个一个来看看。

先来看第一个可能性,这个黑洞原本的恒星,要达到300倍以上太阳质量。为什么说这不太可能呢?因为人类目前还从来没有看到过300倍太阳质量的恒星,连100倍太阳质量以上的恒星都非常罕见。所以我们很难确定,一个300倍太阳质量的恒星是不是真的存在。

按照我们目前了解的规律来看,即便在宇宙里拥有这么多物质,它更容易形成的是数十颗小恒星组成的星团,而不是一颗超大恒星。

要让一个超大范围内的海量物质聚集,不出现局部的干扰,形成一个大恒星,这本身就是对现有动力学模型的严峻挑战。所以,这个可能性并不是很大。

接下来,我们再来看第二种可能性:恒星本身不是特别巨大,但是吹出去的物质少,留下的部分多,最终形成这个黑洞。

要实现这个结果,现有的理论认为,恒星的化学成分必须要特别单一。只有比较纯净的物质组成的恒星,才有可能保留比较多的材料形成大的黑洞。但据科学家推断,这个新发现的黑洞,构成它的恒星,元素可能有100种之多。

也就是说,恒星的化学组成非常复杂,没有产生大黑洞的条件。

这第二条路也堵死了。

你可能会问,这么大的黑洞自己单独形成确实不容易,有没有可能是两个小一点的黑洞合并成的呢?这是第三种可能性。

的确,黑洞靠近之后可能会合并。不过,在咱们说的这个案例中,天文学家把这个可能性也给排除了。

为什么呢?轨道不对。什么意思呢?

新发现的黑洞,在它旁边有一颗恒星,黑洞和这颗恒星相互绕转,它们绕转形成的轨道是一个非常接近圆形的轨道。

高爽老师告诉我,如果轨道很圆,这其实意味着它们之间的绕转应该是从诞生时就存在的,而且一直长期、稳定地存在。

这就像咱们的太阳系一样,地球和太阳几乎同时产生。地球产生之后就一直稳定地围绕着太阳转动,才会形成接近圆形的地球轨道。

可如果是两个黑洞合并,或者是外来的黑洞入侵了原来的系统,按理说形成的轨道应该是椭圆形,而不是圆形的。

当然,随着时间的推移,椭圆形的轨道会变成圆形的。但是,按照天文学家的计算,假如这个黑洞是这种情况,那发生这种变化需要的时间会比宇宙的年龄还要长。所以,这个黑洞也不太可能是经过合并形成的。

说到这,你也发现了吧?在现有的模型体系下,这个银河系内的70倍太阳质量的巨大黑洞,无论如何都是不应该形成的。

这就是为什么发现者刘继峰老师说,“我们现在进入了天文学规律的禁区”。

其实,一颗恒星从形成到演化成黑洞,这算得上是天文学模型体系中最基础的一个环节。但是,现在一个看似“不可能”的黑洞就摆在我们的眼前,这也意味着,天文学里最基础的环节遭到了巨大挑战。

注意啊,这次挑战的理论,可不是什么平行宇宙或者宇宙创生之类的大尺度的理论,而是具体到一颗恒星怎么诞生的最基础的小尺度问题。

这个最基础的环节遭遇挑战,意味着整个天文学目前取得的大部分知识,可能都仅仅是局部的、暂时的、近似的理论而已,而不是真理。

那接下来的问题就来了,这个黑洞就在银河系内,距离我们并不算太远。为什么天文学家之前没有发现过呢?

你也知道,黑洞本身是看不见的,黑洞的发现一直是个难题。

这次用了一种新的观测方法,靠观测黑洞边上恒星的特殊运动轨迹,来发现黑洞。但是,每一颗恒星你要长时间观测它,要观测几百上千次,才能确定它运动轨迹变化的规律。而天上的恒星那么多,要是把所有的都观测一遍,这种工作量就好比大海捞针,效率实在太低了。

但是,咱们国家这回使用的郭守敬望远镜恰好可以解决这个问题。

郭守敬望远镜口径有4米,有4000根光纤,它可以同时对准不同的目标。什么意思呢?这意味着,用郭守敬望远镜观测一次,相当于有4000台望远镜同时观测。

所以,你可以想象到,这是世界上效率最高的望远镜。它特别适合执行“大海捞针”的工作。如果让普通的同等口径的望远镜执行这次的黑洞发现任务,需要耗时40年。

正是有了郭守敬望远镜,这次黑洞探测的工作才有可能实现。

为了进一步揭开黑洞带给我们的疑问,国家天文台现在已经发起了新的“黑洞猎手”计划。他们计划在未来5年发现几百个新黑洞,进一步探索打破原来的模型体系的可能性。

听到这你可能会担心,打破了旧有的模型,会不会对整个天文学的体系造成巨大的冲击。但是高爽老师跟我说,作为天文学家,他觉得这种冲击是百年难得一见的好事。

好在哪儿呢?因为这件事给了我们两个重要的提醒:

第一,天文学获取的信息实在是太有限了,现在我们掌握的全部知识可能都只是阶段性的认知。

所以面对庞大的宇宙,我们还是要保持谦卑,要一点一点地积累我们的认知,时刻保持高度警惕。

第二,科学理论只是通往科学真理的阶段性的进步,但不等于真理本身。这个道理其实是科学发展的精神,普遍适用于所有的科学理论,只不过在天文学领域中体现得特别极致。

天文学今天的发现和遭遇的挑战,肯定要用全新的思维方式才能解决和继续发展。

所以,天文学家这次发现的黑洞虽然不发光,但它却可以看成是未来新的思维方式的曙光。这当然是一件好事。

好了,这就是今天的《邵恒头条》。我是邵恒,我们明天见。

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