天體普查表明：宇宙中遍布著黑洞

加州大學歐文分校的天文學家們在進行了一系列宇宙盤點，以計算和分類星狀殘餘黑洞後得出結論：銀河系中可能有數千萬個神秘的黑洞——遠遠超出預期。

根據一項由詹姆斯·布洛克(左)、物理學和天文學教授詹姆斯·布洛克(左)所做的研究，銀河系中存在的黑洞比之前認為的要多得多。Manoj Kaplinghat是物理學和天文學教授，還有奧利弗·埃爾伯特是物理學和天文學研究生。圖片版權：Steven Zylius / UCI

UCI主席兼物理學和天文學教授詹姆斯·布洛克說：我們認為我們的銀河系有多達1億個黑洞。（他是《皇家天文學會月刊》上一篇關於這個問題的研究論文的合著者）

UCI的天體普查在一年半前就開始了，在此之前不久激光干涉引力波天文台LIGO，在兩個黑洞的遙遠碰撞產生的時空連續體中發現了漣漪，每個黑洞的大小都是30個太陽。

對引力波的探測是一個巨大的挑戰，因為它證實了愛因斯坦廣義相對論的關鍵預測。但後來我們更仔細地研究了實際結果的天體物理學，這是兩個30個太陽質量黑洞的合併。這太令人震驚了不禁發問：這種尺寸的黑洞有多常見，它們合二為一的頻率有多高？

他說科學家們假設大多數的恆星殘骸，這是他們生命結束時大量恆星坍塌的結果——將與我們的太陽質量相同。在一場災難性的碰撞中，兩個黑洞最終聚集在一起，這兩顆黑洞的證據讓一些天文學家摸不著頭腦。

布洛克說UCI的工作是對LIGO發現的怪異」的一項理論調查。這項由博士候選人奧利弗·埃爾伯特領導的研究，試圖通過了解星系形成的角度來解釋引力波的探測，並形成一個理解未來事件的框架。

「根據我們對不同類型星系中恆星形成的了解，我們可以推斷出每個星系中形成了多少個黑洞，埃爾伯特說大星系是老恆星的家園，它們也有較老的黑洞。根據UCI物理學和天文學教授Manoj Kaplinghat的研究，每個星系的黑洞的數量將取決於星系的大小。

原因是大星系中有許多富含金屬的恆星，而較小的矮星系則由低金屬的大恆星所主宰。含有大量重元素的恆星，比如我們的太陽，在他們的生命中留下了大量的質量。當一個人在超新星爆炸中結束這一切的時候，沒有多少物質會自行坍塌，導致一個質量較低的黑洞。金屬含量較低的大恆星在一段時間內不會大量脫落，所以當其中一顆恆星死亡時，幾乎所有的質量都會被黑洞吞噬。

布洛克說：我們對宇宙中恆星的總體數量以及它們出生時的質量分布有了很好的了解，所以我們可以看出100個太陽質量和10倍太陽質量的黑洞應該形成多少個黑洞。我們能夠計算出有多少大黑洞應該存在，最終以百萬計，比我預想的要多。

此外為了闡明隨後出現的現象，UCI研究人員試圖確定黑洞在成對發生的頻率，它們合併的頻率，以及它需要多長時間。他們想知道LIGO探測到的30個太陽質量黑洞是否在數十億年前誕生，並花了很長時間才合併，或者是最近(在過去的1億年內)，並在不久之後合併。

Kaplinghat說：我們研究表明只有0.1到1%的黑洞必須合併來解釋LIGO所看到的，當然黑洞必須在合理的時間內足夠接近，這是一個開放的問題。

埃爾伯特說他預計會有更多的引力波探測，這樣他和其他天文學家就能確定黑洞是否主要發生在巨大的星系中。他說這將告訴他們一些關於物理學的重要信息，促使他們聯合起來。

根據Kaplinghat的說法：他們可能不需要等太久，如果當前關於恆星進化的觀點是正確的，那麼我們的計算表明，即使是50個太陽質量黑洞的合併也會在幾年內被發現。

參考期刊： 皇家天文學會月刊

來自： 加州大學爾灣分校

編譯：中子星

審校：博科園

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