宇宙中有多少黑洞？它們都在哪裡？

也許我們很快就要看到它們了。

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Pirates of the Caribbean: On Stranger Tides (Soundtrack from the Motion Picture)

Hans Zimmer

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LIGO探測到的兩個發生合并的黑洞（想像圖）。LIGO

人類有史以來第三次明白無誤地收到了來自黑洞的信號。黑洞的存在現在似乎已經成了一個難以被否認的事實了。那麼根據人類現在所知，我們是否有可能統計出宇宙中究竟存在著多少黑洞？它們又都在哪裡呢？

天文學家尋找黑洞的方法除了引力波探測，還可以在X射線波段上進行觀測。著名的錢德拉X射線天文台，就是一台飛行在地球軌道上的太空望遠鏡。它可以逐個識別來自深空的點狀X射線源。這些X射線光點大多來自遙遠的星系，通常就是星系中心存在超大質量黑洞的證據。

錢德拉X射線望遠鏡拍攝的深空X射線源。每一個亮點都是一個X射線源，對應著一個河外星系及其中心黑洞發出的信號。NASA

大多數星系中心都至少存在一個超大質量黑洞，這些黑洞的質量至少是太陽的數百萬倍，甚至可以高達數十億倍。但宇宙中的黑洞可遠遠不止這些。

LIGO能夠接二連三地探測到黑洞合并事件，證明雙黑洞的數量在宇宙中非常多。當前我們還沒有辦法對此進行精確統計。但是我們可以作個粗略的估計。假設LIGO平均每兩個月探測到一次黑洞合并事件，那麼每一個和銀河系規模相仿的星系，至少應該擁有幾十對這樣的黑洞。

X射線探測結果表明，宇宙中還應該存在著許多質量較小的雙黑洞，它們的數量可能比LIGO探測到的雙黑洞多。除此之外，還有許多黑洞是孤立的。孤立黑洞的數量可能是最多的。粗略估計，銀河系較大質量雙黑洞（10至100於太陽質量）、較小質量雙黑洞（3至15於太陽質量）、孤立黑洞的比例至少應該是10:100:1000。但實際上孤立黑洞的數量可能還要遠遠高於這一估計。

黑洞是一種極難探測的天體。因此我們只能發現那些最活躍、質量最大，正處於極端狀態中的個體。黑洞相互迴旋和合并是一種非常奇妙的現象，但以整個宇宙為基數，這樣的事件卻是非常罕見的。有的黑洞質量沒有那麼大，有的黑洞質量很大卻又不是那麼活躍。因此我們所看到的黑洞，只佔所有黑洞的一小部分。

還有一個辦法，可以對黑洞的數量和分布進行估計。這涉及到黑洞形成的原理。我們沒有辦法直接看到黑洞，卻能夠看到滿天的繁星。通過對恆星演化規律的認識，我們可以統計出黑洞誕生的概率。從中，我們可以得到一些較為靠譜的數字。

黑洞的基本形成方式一般有三種。一種是超新星爆發。恆星質量如果達到太陽的8至10倍，它們死亡之時就會爆發成超新星；恆星質量如果達到太陽的20至40倍，超新星爆發後就會留下一個黑洞。

二是中子星的合并，以及它們對外部物質的攫取。中子星是質量達不到太陽20至40倍的恆星，在爆發為超新星後留下的殘骸。中子星如果發生合并，或是從其伴星處攫取了大量物質，那麼當它的質量累積超過臨界點後，就會變成一個黑洞。

三是物質的直接坍縮。理論上，如果某處星雲物質的質量超過25個太陽，那它坍縮後就會直接製造出一個黑洞。

因此我們可以根據質量，從所有恆星中篩選能夠形成黑洞的恆星。臨近宇宙中大約只有0.1-0.2%的恆星擁有足夠大的質量，有能力爆發成超新星，而這其中的大部分又只夠形成中子星。所有恆星中大致有一半是以雙星存在的，而大部分的雙星質量之和達不到變成黑洞的臨界點。也就是說，銀河系4000億恆星中的大部分不會形成黑洞。

但是儘管如此，還是有一部分恆星會變成黑洞。最重要的是，縱觀宇宙從古至今的整個歷史，曾經出現過的足以形成黑洞的恆星數量就很多了。

恆星的質量有大有小，從古至今都是如此，雖然某一時期具體數量不同，但大質量恆星總是少數，中等質量的恆星位居其次，而低質量恆星永遠是大頭。在我們周邊宇宙，每4顆恆星中就有3顆屬於低質量的紅矮星。它們的質量只有太陽的8-40%。在許多新生星團中，大質量恆星總是最少的。但經過歷史的累積，它們的數量就很可觀了。而且年輕星系中產星區的規模和它們擁有的物質量也要比今天大得多。

劍魚座30。NASA

劍魚座30是本星系群中質量最大的產星區，其質量相當於40萬個太陽。那裡有數千顆熾熱藍星，其中數百顆有成為超新星的潛質，這數百顆巨星中，又有10-30%可能會變成黑洞。

銀河系過去曾經擁有許多這樣的產星區。規模最大的則都集中在旋臂和銀心附近區域。而這些地方，正是脈衝星（中子星）和伽馬射線源集中的地方，因此大部分黑洞也應該分布在這些區域。由此我們可以得到一張黑洞的分布圖，以及一個與之相稱的合理解釋。

費米全天高能射線分布圖。NASA

這是費米全天點狀伽馬射線源的分布圖。看起來像是一幅銀河系的星圖。只是銀盤非常突出。由於伽馬射線源會漸漸消褪，所以這裡展現的大多是新近才出現的伽馬射線信號源。和這幅圖對照一下，一張黑洞分布圖就會顯現出來。黑洞的分布大體上也會遵循這樣的高能輻射分布形態。它們大多集中在銀心附近，越向外越稀疏。它們圍繞著星系形成了一個球體，包含至少1億個個體。

黑洞在宇宙中並不罕見，但它們中的大多數都很平靜，不為人所知，很難加以探測。宇宙演化至今，在現存和存在過的大質量恆星中，有大約95%已經消亡。它們中大概有四分之一變成了黑洞。這些恆星的幽靈大部分仍然潛伏在星系中。我們的銀河系如此，其它星系大部分也是如此。

橢圓星系M87中心產生的黑洞噴流。藍色的噴流是在X射線波段上拍到的。NASA

至於橢圓星系，它們中的大部分黑洞應該是簇擁在星系中心周圍，就像它們中的大部分恆星一樣。許多黑洞會在引力的作用下，經歷一個質量篩選的過程，逐漸朝著星系的引力陷井——星系中心遷徙。也許這就是為什麼超大質量黑洞會變得如此巨大的原因。但是現在還沒有直接的證據。

簡而言之，今天在我們的銀河系中，恆星和黑洞比例大約是1000比1。而它們的聚集之處，大多也是恆星密度高的地方。當然這一結果也不一定對，因為人類畢竟還沒有直接看到過它們。

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