银河系的星系黑洞有哪些？
2024-11-19 阅读 77
更新于 2024年11月21日
七颗大质量恒星组成的密集星团螺旋式地围绕在一个中等质量的黑洞周围，这整个体系又绕银河系中心的超大质量黑洞运行
天文学家认为他们在靠近银河系中心的位置发现了一个罕见的黑洞（即便它不是独一无二的），这样，银河系中心就存在两个庞然大物了。
这一发现也证实了黑洞基本分为小、中、大三种类型的想法。
恒星黑洞（即恒星坍塌的残余物）是普遍的，其质量通常是太阳的几倍大。多年来，科学家们已经知道很多星系存在超大质量黑洞，其中银河系有一个黑洞更是达到了三百多万太阳质量。
新发现的这个黑洞看似一个中等质量黑洞，约为1300个太阳质量。
有些理论家认为，中等质量黑洞理应是存在的，因为他们是超大质量黑洞的基石，有一些应该分布在比较大的星系中，虽然数据显示有另外两个中等质量黑洞存在于我们的星系中，但目前所有的观测都无法给出一个确定的答案。
黑洞是看不见的，任何物体落入其中都会被吞噬，即便是光也不例外。但是，在一个不可见的物体周围有快速运动的气体和恒星，则可以让天文学家计算出是否有黑洞存在，甚至还可以估算其质量。
如果这个编目为GCIRS 13E的新发现的天体确实是一个中等质量的黑洞，那它可能是极其罕见的，它应该是在更遥远的地方形成，然后被牵引到银河系中心的黑洞。它距已知超大质量黑洞的边缘约小于1.5光年，这个距离比太阳到最靠近的恒星的距离还要近。
围绕这个尚未确定的中等质量黑洞运行的是7颗恒星，每一颗恒星在其全盛时期都是太阳质量的40多倍。即便成了一个死亡天体，他们还有5到10个太阳质量。这整个体系则以626,300mph（280公里/秒）的速度围绕银河系中心运行。
巴黎天体物理学研究所的研究负责人让-皮埃尔.迈亚尔（(Jean-Pierre Maillard)说：“从理论上讲，这些恒星不可能是在现有的位置形成，因为其附近超大质量黑洞的引力不容许气团坍缩成恒星。“
迈亚尔告诉SPACE网站：“从另一方面讲，这些恒星又不可能在距现在位置较远的地方形成，原因何在呢？因为时间不够，大质量恒星通常比较早死亡，而我们观测的这七颗恒星都不超过一千万年，否则它们已经爆炸灭亡了。因而这七颗恒星，连同这个中等质量黑洞在过去1000万年得不断向前迈进，这1000万年，相对于银河系130亿年的寿命而言，不过是一眨眼的功夫。
据计算，该星团可能在距离现在轨道约60光年的位置形成。
迈亚尔说：“这七颗恒星可能是一个密集星团的残留物，有研究发现，在这种球状星团（天文学家这样称呼）中，失控的恒星发生碰撞可以形成中等质量的黑洞。“
“这个候选黑洞可能是独一无二的“，迈亚尔说，”银河系中可能存在其他中等质量的黑洞，但都不会像这个黑洞这么靠近中心位置。”
位于夏威夷的双子星天文台（the Gemini Observatory）和位于智利的欧洲南方天文台(the European Southern Observatory)的几台太空望远镜提供了这一研究的数据。
当然，也有其他证据加以证明，铁德拉X射线天文台（the Chandra X-ray Observatory）探测到这个尚未确定的中等质量黑洞位置与一个X射线的光源重合。众所周知，黑洞在气流像内旋转并且过热时会发出高强度的X射线。
迈亚尔还提醒道：“得做更多的观察和研究来确定该天体的存在，并甄别其身份。“
这一发现于上周发布，详情刊登在天文学和天体物理学（Astronomy and Astrophysics）期刊上。黑洞是一个时空区域，它的引力非常强，任何东西包括粒子或其他诸如光之类的电磁波都无法逃离它。广义相对论预言，足够致密的质量可致时空扭曲变形，形成黑洞。无法逃逸的边界称为“事件视界“。但根据广义相对论，尽管事件视界对穿越它的物体的命运及其环境有巨大的影响，但也没有实地的特征可检测。黑洞不反射光，在很多方面，它更像一个理想的黑体。此外，弯曲时空量子场论预测，事件视界会释放霍金辐射，其光谱与其温度和自身质量成反比的黑体相同，这个温度对于恒星黑洞来说是十亿分之一开尔文的量级，这使得它基本上不可能被直接观测到。
18世纪，约翰.米歇尔(John Michell)和皮埃尔-西蒙(Pierre Simon)首先思考引力场太强以致于光都无法逃逸的天体。1916年，卡尔.史瓦西（Karl Schwarzschild）首次发现了广义相对论的现代解决方案。1958年，大卫.芬克尔斯坦(David Finkelstein)首次发表对黑洞的解释，即任何东西都无法逃逸的空间区域。长期以来，黑洞被视为一道数学谜题，直到20世纪60年代，理论工作才表明这些不过是广义相对论的一般预测。1967年，约瑟琳.贝尔.伯奈尔(Jocelyn Bell Burnell)发现了中子星，这引起人们对引力坍缩的致密天体作为一种天体物理学事实的兴趣。第一个已知的黑洞是天鹅座X-1（Cygnus X1），由几位研究人员在1971年甄别完成。
大质量恒星在其生命周期结束时会坍缩成黑洞。黑洞形成后，它还可吸收周围的质量继续增长。数百万太阳质量的超大黑洞可以通过吸收其他恒星并与其他黑洞合并形成。大多数星系中心都存在超大质量黑洞，这是大家的普遍共识。
黑洞的存在可以通过它与其他物质及可视光等电磁辐射的相互作用来推断，落入黑洞的物质会形成一个外部的吸积盘，通过摩擦发热，从而形成类星体，这也是宇宙中一些最亮的天体。距离超大质量黑洞太近的恒星在被“吞噬“之前会被撕碎成闪亮的流光，如有其他恒星绕黑洞运行，其轨道可以用来确定黑洞的质量和位置。这样的观察可以用来排除其他可能的天体，例如中子星。通过这种方式，天文学家已经在双星系统中识别出众多恒星黑洞候选者，并且确定了位于银河系中心的名为人马座A*(Sagittarius A*)的射电波源包含一个约430万太阳质量的超大质量黑洞。
2016年2月11日，LIGO科学合作组织(LIGO Scientific Collaboration)和Virgo合作组织（Virgo Collaboration）宣布首次直接探测到引力波，也代表首次观测到黑洞合并。截至2018年12月，观测到由10个黑洞合并连同一个双中子星合并引发的11个引力波事件。2017年事件视界望远镜（EHT）对梅西耶87（Messier 87’s）星系中心的超大质量黑洞进行了观测，随后，2019年4月10日，他们发布了首张黑洞及其附近区域的直接图像。2021年3月，事件视界望远镜合作组织(EHT Collaboration)发布了黑洞的偏振图像，这或许能更好地展现类星体形成的力量。
截至2021年，已知离我们最近的被认为是黑洞的天体约为1500光年（见最近的黑洞列表）。虽然迄今为止在银河系中只发现了几十个黑洞，但应该有数亿万黑洞存在，他们大部分是独立的，且不会产生辐射，因此，只能通过引力透镜才可以检测到。
银河系中的黑洞主要包括恒星质量黑洞、中等质量黑洞（IMBHs）和超大质量黑洞（SMBHs）。以下是一些具体的例子和相关的专业科学术语：
1. 恒星质量黑洞（Stellar-mass black holes）：这些黑洞是由质量至少为太阳8倍以上的恒星在耗尽核燃料后，发生超新星爆炸形成的。例如，GRO J1655-40是一个距离地球约6000光年的恒星质量黑洞，它通过从伴星吸取物质而被探测到。这种黑洞的形成涉及到核心坍缩（core collapse）和超新星爆炸（supernova explosion）的过程。
图 1 GRO J1655-40 黑洞图像
图 2 GRO J1655-40黑洞分析
2. 中等质量黑洞（Intermediate-mass black holes, IMBHs）：这类黑洞的质量介于恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间，质量大约在100到100,000个太阳质量。中等质量黑洞的确切存在和形成机制仍然是天体物理学中的一个活跃研究领域。
3. 超大质量黑洞（Supermassive black holes, SMBHs）：这类黑洞的质量通常在太阳质量的百万倍以上，几乎每个大星系的中心都存在一个。银河系中心的超大质量黑洞被称为人马座A*（Sagittarius A*），其质量约为太阳的430万倍。这个黑洞的存在是通过观测其周围恒星的轨道运动来推断的，这些恒星的轨道运动提供了关于中心天体质量的直接证据。此外，人马座A*也是通过事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）拍摄到的首张银河系中心黑洞照片的主角，该照片显示了一个明亮的光环围绕着一个黑暗的中心区域，这是由于黑洞的强引力弯曲了周围的光线。
图 3、4 银河系中心黑洞人马座A*图像
此外，银河系中可能还存在其他未被发现的黑洞，包括一些距离我们非常近的黑洞，例如Gaia BH1，这是一个位于蛇夫座星系的黑洞，距离地球约1600光年，质量约为太阳的10倍。这些黑洞的探测和研究对于理解银河系的演化和结构至关重要。
银河系中的超大质量黑洞，通常被称为人马座A*（Sagittarius A*，简称Sgr A*），位于银河系的中心，其质量约为太阳的400万倍。这个黑洞距离地球约2.6万光年，是目前为止我们所知的最近的超大质量黑洞。根据最新的研究，人马座A*的半径小于金星绕太阳轨道的半径，其引力半径约等于0.1个天文单位（大约是地球与太阳之间距离的0.1倍）。
黑洞的大小通常不以普通意义上的“尺寸”来衡量，因为黑洞本身是一个极端的空间时间扭曲点，其边界（事件视界）是一个理论上的表面，超过这个边界的任何物质或辐射都无法逃逸。因此，我们通常描述黑洞的大小是通过其质量、事件视界的大小或者其对周围环境的影响来间接推断。
黑洞的事件视界大小与其质量成正比。对于人马座A*这样的超大质量黑洞，其事件视界的直径大约是2400万公里，这比我们的太阳要大得多，但相对于银河系的尺度来说，它仍然是一个相对较小的区域。
黑洞周围的环境，如吸积盘和喷流，可以延伸到更远的距离，并且可以有更大的“尺寸”。例如，黑洞的喷流可以延伸到数千光年之外，这些喷流是由黑洞的强大引力和磁场驱动的。
此外，黑洞的“影子”（即事件视界在周围光照下的投影）也是描述黑洞“大小”的一种方式。事件视界望远镜（EHT）合作组织已经成功拍摄到了人马座A*的“影子”图像，这为我们提供了直接的视觉证据，证明了银河系中心存在超大质量黑洞。
总的来说，银河系中的超大质量黑洞人马座A*虽然在物理尺度上相对较小，但其强大的引力和对周围环境的影响使其成为银河系中最引人注目的天体之一。
银河系中已知的黑洞主要集中在几个类别中，以下是一些主要的黑洞类型和具体实例：
1. 超大质量黑洞
- 人马座A：这是银河系中心的超大质量黑洞，质量约为400万倍太阳质量。它是科学界最为关注的黑洞之一，研究其周围恒星的运动帮助确认了它的存在。
2. 恒星级黑洞
这些黑洞通常是由大质量恒星在超新星爆炸后形成的。银河系中可能有数以千计的此类黑洞，但大多数尚未被直接观测到。一些已知的恒星级黑洞包括：
- V404 Cygni：这是一个位于天鹅座的黑洞，距离地球约7,800光年。它以吸积伴星物质而闻名，曾在2015年发生过显著的活动。
- Cygnus X-1：这是第一个被确认的黑洞候选者，距离地球约6,000光年。它是一个X射线双星系统，其伴星是一颗蓝色超巨星。
3. 中等质量黑洞
虽然中等质量黑洞在理论上存在，但在银河系中尚未找到明确的例子。它们的质量介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间，通常在100到1000倍太阳质量之间。
4. 孤立黑洞
一些黑洞并没有伴星系统，可能是孤立存在的。银河系中可能有许多这样的黑洞，但由于它们不发出明显的辐射，探测起来非常困难。
银河系中存在多种类型的黑洞，尤其是超大质量黑洞和恒星级黑洞。随着观测技术的进步，科学家们正在不断探索和确认这些神秘天体的存在。
银河系中的黑洞主要包括以下几种：
1. 超大质量黑洞人马座A*（Sgr A*）：这是位于银河系中心的超大质量黑洞，其质量约为太阳的400万倍。2022年5月12日，事件视界望远镜（EHT）合作组织发布了银河系中心超大质量黑洞的首张照片，为人马座A*提供了直接的视觉证据。
2. 中等质量黑洞：有研究提出，在银河系中心可能存在一个我们尚未发现的超大质量黑洞，其质量甚至可能比人马座A*还要大。此外，也有理论预测银河系中心周围会有数万个恒星大小的黑洞聚集成一个圆盘。
3. 恒星级黑洞：银河系中还分布着上亿个左右的恒星级黑洞，这些黑洞大多是在大型星球爆炸时产生的。
4. 其他潜在黑洞：根据一些研究，银河系中可能存在更多的黑洞，包括一些中等质量黑洞，它们可能由星团内的大质量恒星在晚年集中坍塌然后融合产生。
综上所述，银河系中的黑洞包括位于中心的超大质量黑洞人马座A*，以及分布在银河系各处的恒星级黑洞和可能存在的中等质量黑洞。目前，银河系中心的超大质量黑洞人马座A*是最为著名的，并且已经有了直接的观测证据。
