科学家们揭开黑洞天文学中神秘的缺失环节

黑洞所表现出的怪异性让人摸不着头脑。黑洞是在恒星燃烧其所有的核燃料并在其自身的引力下坍塌时形成的，它是如此古怪，甚至爱因斯坦也曾一度认为它们是不可能的。

它们是空间中具有如此强烈引力的区域，甚至连光都无法逃脱它们的牵引。一旦宏伟闪亮的恒星燃烧殆尽，缩成一个相对较小的外壳，它们所有的质量都集中在一个小空间里。想象一下我们的太阳，它的直径大约为140万公里，缩小到一个直径只有6公里的黑洞。这种紧凑性赋予黑洞巨大的引力。

黑洞不仅能捕获光线，而且它们还能粉碎它们遇到的任何恒星，甚至相互融合。像这样的事件释放出的能量爆发，在数十亿光年外都能探测到。

2020年的诺贝尔物理学奖由科学家们分享，他们在银河系中心发现了一个将恒星拉向它的隐形天体。这是一个超大质量黑洞，或称SMBH，它的质量是我们太阳的数百万倍。

英国爱丁堡皇家天文台的天体物理学家肯尼斯-邓肯博士说：“在每个大质量星系的中心，我们认为都有一个超大质量黑洞。我们还认为它们在星系的形成过程中起着非常重要的作用，包括银河系。”

星系“怪物”

超大质量黑洞是宇宙中的引力“怪物”。爱丁堡大学的天体物理学家菲利普-贝斯特教授说：“星系中心的黑洞的质量可能是我们太阳的100万到几十亿倍。”

它们从周围环境中吸入气体和尘埃，甚至像恒星一样大的天体。就在这些物质落入黑洞的事件视界之前，它们迅速移动并加热，以高能闪光的形式释放能量。发出无线电波的强大物质喷流也可能从这个摄取过程中喷出。

这些可以在地球上用射电望远镜探测到，比如欧洲的LOFAR，它在英国、爱尔兰、法国、荷兰、德国、瑞典、波兰和拉脱维亚都有探测器。

邓肯正在利用LOFAR的观测结果，在一个名为HIZRAD的项目中识别大质量黑洞。邓肯说：“我们可以探测到更久远的成长中的黑洞，目标是找到宇宙中最早的和一些最极端的黑洞。”

LOFAR甚至可以准确定位被遮挡的黑洞。邓肯已经使用人工智能技术将来自LOFAR和望远镜调查的数据结合起来，以确定感兴趣的天体。

更好的仪器

更好的仪器将很快协助完成这项任务。位于西班牙拉帕尔马岛的威廉-赫歇尔望远镜的升级将使其能够同时观测数以千计的星系。一个名为WEAVE的光谱仪有可能探测到超大质量黑洞，并观察恒星和星系的形成。

无线电信号表明，超大质量黑洞早在宇宙历史的最初5-10%就已存在。作为研究主管的贝斯特解释说，这些黑洞有10亿太阳质量。

令人惊讶的是，这些“巨无霸”在宇宙的早期阶段就存在了。“就宇宙的历史而言，你必须把所有这些质量弄到一个非常小的体积里，而且要做得非常快，”贝斯特说。

研究人员知道，在大爆炸之后，宇宙开始成为一团不断膨胀的原始物质。对宇宙背景辐射的研究表明，最终成团的物质聚集在一起形成了恒星。然而，“形成一个大到10亿太阳质量的黑洞的过程还没有被完全理解，”贝斯特说。

中等质量黑洞

虽然对超大型黑洞的研究正在进行中，但荷兰奈梅亨的拉德堡德大学的天文学家Peter Jonker博士对中等规模的黑洞的形成很感兴趣。

他正在通过imbh项目研究中等质量黑洞（IMBH）的可能存在。他指出，从宇宙只有6亿年的时候就已经观察到了超大质量黑洞。科学家估计宇宙的整体年龄约为138亿年。

Jonker说：“宇宙一开始就像一个均匀的‘物质汤’，那么你是如何在很短的时间内得到重量为太阳质量十亿倍的团块的呢？”

虽然超大质量黑洞可能会将类似太阳的恒星（称为白矮星）整个吞噬掉，但IMBHs应该足够强大，只能将它们撕碎，发出显眼的能量闪光。

“当一颗紧凑的恒星，即白矮星，被撕裂时，它只能被中等质量的黑洞撕裂，”Jonker说。“超大质量黑洞将它们整个吞噬掉。有强烈的迹象表明，中等质量的黑洞就在那里，但目前还没有证据。”

他正在寻找强烈的X射线能量的闪烁，以表明中间黑洞的存在。问题是，当检测到信号时，强烈的闪光只持续几个小时。这意味着数据到达的时间太晚，无法将光学望远镜转向光源进行观测。

Jonker说：“这种情况每一个星系一万年才发生一次，所以我们还没有在我们的银河系中看到一个。”

Jonker还试图观察两个黑洞旋转和合并的预期结果，然后发出引力波，撞击附近的星星。然而，要辨别这些被颠簸的恒星，需要强大的天基望远镜。

X射线闪烁

2013年发射的Gaia卫星正在提供一些帮助，但是一个名为Euclid的计划任务将拍摄更高分辨率的图像，并可能帮助Jonker证明IMBHs的存在。这颗卫星原定由俄罗斯火箭发射；现在将由欧洲阿丽亚娜6号火箭发射，但稍有延迟。

尽管如此，一颗小型卫星--中国主导的爱因斯坦探针卫星--计划于2023年发射，并将寻找可能标志着中等质量黑洞的X射线能量的闪光。爱丁堡的邓肯说，对中等质量黑洞的搜索与他自己的探索相联系。他说：“它有可能帮助我们解决超大质量黑洞来自何处的问题。”

现在，物理学家依靠量子理论和爱因斯坦的方程来描述宇宙的运作方式。然而，这些不能成为最后的发言权，因为它们不能很好地结合起来。

“引力理论在黑洞附近崩溃了，如果我们对它们进行足够密切的观察，”Jonker说，“我们的期望是，我们将发现与理论的偏差，并在理解物理学如何工作方面取得重要进展。”