愛因斯坦在 1916 年發(fā)表廣義相對論,描述了引力如何塑造時空結(jié)構(gòu),那時他便首次預(yù)言了黑洞的存在。但直到 1964 年,天文學(xué)家才在 6070 光年外的天鵝座發(fā)現(xiàn)了一個黑洞。發(fā)射到太空的蓋革計數(shù)器,探測到來自天鵝座 X-1 區(qū)域的宇宙 X 射線。我們現(xiàn)在知道,這些宇宙射線來自于黑洞。但當(dāng)時,對于這些宇宙射線的源頭,科學(xué)家們產(chǎn)生了分歧。斯蒂芬·霍金曾與物理學(xué)家基普·索恩打賭,認為不是來自黑洞,但霍金在 1990 年認輸。
約 57 年后,科學(xué)家們現(xiàn)在了解到,天鵝座 X-1 的黑洞比最初認為的要大得多,我們不得不再次思考黑洞是如何形成和演化的。據(jù)悉,此次觀測是在地球表面進行。
這項新研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上,澳大利亞科廷大學(xué)國際射電天文學(xué)研究中心的詹姆斯 · 米勒瓊斯是主要作者。米勒瓊斯說:“從某種程度上說,是偶然得到這個結(jié)果的。我們最初并沒有重新測量黑洞的距離和質(zhì)量,但在分析數(shù)據(jù)后,我們意識到其中奧秘?zé)o窮。”
黑洞質(zhì)量非常大,甚至連光都無法逃脫黑洞的引力,更不用說物理物質(zhì)了。不過,有時黑洞會莫名其妙地發(fā)出輻射,向太空拋出電離物質(zhì)。米勒瓊斯及其團隊想要研究黑洞如何吸入及排出物質(zhì),于是對天鵝座 X-1 進行了更仔細的觀察。
團隊使用超長基線陣列對黑洞進行了6天的觀測。超長基線陣列由 10 臺射電望遠鏡組成,分布在夏威夷、維爾京群島等美屬各地。射電望遠鏡的分辨率與探測月球上 10 厘米物體所需的分辨率相當(dāng),所用技術(shù)曾為事件視界望遠鏡所用,拍攝了第一張黑洞照片。
團隊測量無線電波、溫度等,模擬了天鵝座 X-1 黑洞和大質(zhì)量超巨星 HDE226868 的精確軌道,這兩個物體彼此圍繞軌道運行。了解了每個物體的軌道后,團隊就可以推斷出物體質(zhì)量,他們發(fā)現(xiàn)黑洞是 21 個太陽質(zhì)量,比原來設(shè)想的超出約 50%。
黑洞的質(zhì)量取決于幾個因素,尤其是坍縮入黑洞的恒星大小,以及以恒星風(fēng)形式侵蝕掉的質(zhì)量。更熱、更亮的恒星往往會產(chǎn)生更猛烈的恒星風(fēng),這些恒星也往往更重。因此,一顆恒星質(zhì)量越大,越容易在坍縮之前和坍縮期間因恒星風(fēng)失去質(zhì)量,從而形成質(zhì)量更小的黑洞。
但總的來說,科學(xué)家們認為,銀河系中的恒星風(fēng)足夠強大,不管恒星最初有多大,仍可以將黑洞的質(zhì)量限制在 15 個太陽質(zhì)量的范圍內(nèi)。而本次新發(fā)現(xiàn)顯然顛覆了這些預(yù)計。
米勒瓊斯說:“ 發(fā)現(xiàn)一個質(zhì)量比原來范圍大得多的黑洞,(這)告訴我們,最大恒星一生中在恒星風(fēng)中損失多少質(zhì)量的模型必須修正。” 這可能意味著,穿過銀河系的恒星風(fēng)沒有我們想象的那么強大,或者恒星可能以其他方式損失質(zhì)量?;蛘?,黑洞比我們所能預(yù)料的更不穩(wěn)定。
該團隊計劃對天鵝座 X-1 進行更多觀測。計劃在澳大利亞和南非建設(shè)的平方公里陣列射電望遠鏡等儀器,可以為觀測天鵝座 X-1 黑洞及附近黑洞提供更佳視野。銀河系中可能有 1000 萬到 10 億個黑洞,至少再研究幾個,可能有助于解開這個謎團。(綜合整理報道)(編輯/多洛米)