流浪黑洞或揭示宇宙演化之谜

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星系中流浪黑洞族群的艺术家想象图。

来源：ESA哈勃，N.巴特曼

在宇宙中，存在一类既非超大质量、也不隶属于任何星系的黑洞，它们在宇宙中自由穿行，历时数十亿年。

近期，耶鲁大学与北德克萨斯大学的研究人员开展了一项研究，探讨这类流浪黑洞可能起源于星系中心的超大质量黑洞（SMBH），并在星系并合过程中被抛离原有位置。

该研究结果有望为科学家理解黑洞的起源提供新的线索。

该研究由耶鲁大学天文学博士生埃玛简韦勒领导。

她与耶鲁大学物理教授、天文学系主任普里亚姆瓦达纳塔拉贾以及耶鲁大学和北德克萨斯大学的博士后研究员科林J伯克共同参与。

纳塔拉贾还是哈佛大学黑洞倡议计划的首席研究员。

他们的研究成果发表在《天体物理学杂志快报》上。

为了进行这项研究，研究人员使用了ASTRID，这是一套高分辨率的宇宙学模拟工具，用于模拟宇宙的演化过程（包括恒星、暗物质、气体和黑洞）。

研究团队利用该工具研究了质量范围在1000万到1万亿个太阳质量之间的恒星填充星系，并追踪了它们大约126亿年的演化历程。

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研究团队利用该工具研究了质量范围在1000万到1万亿个太阳质量之间的恒星填充星系，并追踪了它们约126亿年的演化历程。

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盖亚恩克拉多斯星系与银河系并合的模拟图像，该模拟结果与盖亚卫星观测数据相符。

图片来源：欧洲航天局（艺术概念图及合成图像）；科佩尔曼、维拉洛博斯和赫尔米（数值模拟）

ASTRID模拟的一个重要特点是，它不会自动将黑洞置于星系中心，而是通过模拟引力作用，使黑洞在周围环境中运动并最终抵达星系中心。

这一机制使研究团队能够区分处于星系核心的稳定黑洞与流浪黑洞。

他们还发现，在质量较低的星系中，由于其引力较弱，黑洞更容易成为流浪黑洞。

我们的结果表明，将流浪黑洞与中心黑洞一并考虑，对于理解大质量黑洞的起源与演化，以及其宿主星系的历史至关重要。

根据主流理论，最早的黑洞被认为是在早期宇宙中以种子形式起源的。

科学家们对它们如何成长为今天我们所观测到的超大质量黑洞存在不同观点。

一些人认为第一代恒星（第三星族星）留下了较小的种子，随后通过合并逐渐增长；另一些人则主张更重的种子通过直接坍缩机制更早形成，即原始气体直接聚集足够质量，从而形成较大的黑洞。

纳塔拉詹是耶鲁大学约瑟夫S和索菲娅S弗鲁顿天文学讲席教授，也是韦勒的论文导师，同时还是重种子理论的主要倡导者之一。

正如纳塔拉詹所说：

令人兴奋的是，黑洞似乎比其诞生时的条件保留了更多的信息。

它们当前所处的位置承载着宿主星系演化历程的印记。

通过区分位于星系中心的黑洞与那些游离于星系之外的黑洞，我们得以逐步厘清这两类黑洞各自的历史。

宇宙中一些最具揭示意义的黑洞，或许正是那些已脱离星系中心、四处游荡的黑洞。

暗物质模拟及其在宇宙网中的位置。

来源：NASA

ASTRID模拟还揭示了其他一些有趣的发现，例如低质量星系似乎在经历了数十亿年的并合增长后，仍然保留着其初始种子黑洞的信息。

此外，研究还表明，那些已经停止形成新恒星的低质量星系更有可能在其中心拥有黑洞，而仍在形成恒星的星系则更可能拥有漂移的黑洞。

最终，这些结果提供了一个框架，有望推动对黑洞起源的更全面研究。

这一潜在的研究方法包括深度X射线观测、光学与红外光谱分析、射电天文观测，以及由黑洞吸积恒星所引发的暂现耀发现象。

正如韦勒所指出的：

BY: Matthew Williams

FY: AI

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研究5.6万颗恒星后，太阳究竟哪里不正常？

科学家把它放到一大群相似恒星旁边，有的研究发现，它的亮度变化偏弱；另一项调查却记录到，同类恒星会突然爆发远超普通太阳耀斑的强烈闪光。

看似互相打架的两个结果，凑出了一个更值得追问的问题：我们熟悉的太阳，是本来就安静，还是只见过它安静的时候？ “研究5.6万颗恒星，发现太阳不正常”这个说法，最抓人的地方，也最容易把故事讲岔。

56450颗这个数字确有出处，对应2024年发表在《科学》上的类太阳恒星超级耀斑研究。

“太阳亮度变化比不少同类更弱”，则是2020年的另一项工作。

它们测量的内容不同，不能把数字拿来当成同一张结论证明。

不妨先把目光移到太阳照片上。

日常看它像一个发光圆盘，用专门仪器观察，却能看到暗斑、亮区和巨大的弧形结构。

太阳没有固体外壳，内部和表层的等离子体不断运动，磁场随着这些运动变化。

我们的早晨很规律，太阳表面却没有因此停工。

暗的太阳黑子并非真黑，只是比周围区域温度低，放在耀眼背景下显得暗。

明亮的光斑等结构，又可能增加某些波段的亮度。

它们长出来、变化、随自转转到可见面或转走，整颗恒星的亮度记录就会出现起伏。

遥远恒星的表面看不清，光度变化仍能留下活动的线索。

2020年的研究，把太阳与自转周期等性质相近的一批恒星比较。

在能测得相近自转周期的样本中，不少恒星的亮度变化比太阳更强。

对太阳认识很深的人，反而被这个结果提醒：我们长期习惯拿太阳当模板，模板自己也需要放到更大的样本里检验。

不过这不是“只有太阳安静，其他恒星都暴躁”。

那项工作还分析了没有测出自转周期的样本，其中不少亮度变化与太阳相近。

变化很弱、规律不明显的星，本来就更难从光度曲线里辨认自转。

先挑出容易测到周期的目标，可能影响你看到的群体。

研究需要处理这种选择效应。

就像你隔着窗户判断楼里谁最吵，声音大的住户更容易被注意到，不能因此宣布整栋楼只有你安静。

天文学家的难处还在于，恒星并非完全复制的灯泡。

温度、年龄、自转、成分和观察角度都会影响比较。

多看几颗有帮助，但“相似”必须说明相似在哪些指标上。

现在再看那5.6万颗。

2024年的研究利用开普勒望远镜2009年至2013年的数据，筛选出表面温度和亮度类似太阳的恒星。

把许多星的观测时间合起来，便能统计罕见事件。

你无法让人类等待几十万年才交论文，却能同时观察很多位恒星“亲戚”，寻找它们共同呈现的规律。

结果在56450颗目标中，研究者识别出2527颗恒星上的2889次超级耀斑。

这里的“超级”，是短时间释放能量达到极高等级的爆发，不是照片颜色特别艳丽。

研究里讨论的门槛约为10的27次方焦耳。

数字太大，很难靠家用电量产生直觉，也不能把全部能量直接算成地球承受的剂量。

看到这些耀斑，研究人员还得排除冒名顶替的信号。

探测器里的异常、经过的小天体，或图像上挨得很近的其他恒星，都可能让某个目标突然看着变亮。

闪光来自哪颗星，是调查的关键。

否则邻居放了一次烟花，你却把账记到这家安静住户头上，后面的风险判断也会跟着偏。

统计给出的平均频率，约为每颗类太阳恒星每百年一次。

听到“百年”，很容易往日历上画一个圈。

但平均间隔不等于固定周期，这个样本的群体规律也不能直接变成太阳的精确倒计时。

论文没有告诉你下一次太阳超级耀斑是哪一年，更没有把今天平静的天空变成某个确定灾难的预告。

那太阳有没有可能这样爆发？相似恒星的表现让这个可能性值得认真研究。

所谓“太阳安静”，也只是在特定测量和比较条件下描述它，不能据此发一张永不爆发的保证书。

日常亮度的起伏有多大，罕见耀斑能释放多少能量，是两个相关却不相同的问题。

平均声音小的人，也可能偶尔大声喊话。

耀斑的能量与磁场有关。

等离子体运动改变磁场结构，磁场重新连接时，储存的磁能可能迅速转化，产生辐射并加速粒子。

猛烈闪光不等于太阳核心全面失控，更不等于太阳变成超新星。

还有一个常被混为一谈的东西：日冕物质抛射。

耀斑是强烈的辐射爆发，日冕物质抛射则把大量带磁场的太阳物质送入空间。

它们可以一起出现，但不能拿一个词替代另一个。

光传播到地球约需8分钟，抛出的物质通常要更久；是否朝向地球以及磁场条件，也会改变影响。

遥远恒星爆发一次超级耀斑，并不等于旁边每颗行星都被烧掉。

距离、辐射方向、行星磁场和大气，以及爆发的伴随过程，都要算进去。

把全部能量画成一团盖住地球的火焰，会绕过决定后果的传播条件。

对现代生活来说，值得关心的反而是那些看不见的环节。

强烈空间天气可能扰动电离层，影响无线电与卫星导航；带电粒子和地磁活动又可能给航天器、电网带来问题。

你还没抬头看太阳，手机定位、远距离通信和供电设备，已经把生活与地球之外的环境连在一起。

人类的直接高精度观测，只占太阳46亿年生命里的很小一段。

黑子历史记录更长，树轮和冰芯等自然档案也能帮助追索过去的强粒子事件，但它们记录的指标并不等于望远镜测到的耀斑辐射。

把所有记录简单排成一张“太阳发脾气表”，仍会丢掉不同信号之间的重要区别。

科学家因此会同时盯太阳、看别的星、查古老档案。

近处观测提供细节，远处样本提供统计，历史记录提供长时间线索。

三者还有待接起来；讲出一个吓人的数字，并不等于掌握了太阳未来的剧本。

回到“不正常”三个字，太阳当然不是宇宙里唯一特别的恒星。

它在某些样本中的亮度变化偏弱，是值得解释的观测现象；类太阳恒星可能有更强的爆发，是另一条值得重视的线索。

两件事都让我们认识它更多，却都不能证明它被谁刻意设计，也不能证明明天一定有事。

明早太阳升起时，你仍然可以按平常的时间出门。

但这个熟悉圆盘背后，有一场持续运转的磁场活动，还有人类尚未完全读懂的长时间历史。

我们把“每天都来”当成了“永远一样”，科学家却在几万颗相似恒星之间，慢慢发现它更多的表情。

真正有意思的，不是太阳突然坏了，而是我们对它的认识，终于不只剩下一张温和的合影。

近原始黑洞或解JWST观测之谜

相关知识（天文术语） 原始黑洞是宇宙早期高密度区域因引力坍缩形成的黑洞，其质量可小至微观尺度，与恒星坍缩产生的黑洞不同。

理论上，它们可能在大爆炸后第一秒内产生，质量范围从极轻到数倍太阳质量不等。

目前尚未被直接观测证实，但被视为暗物质候选体之一，并可能通过霍金辐射或引力波信号间接探测。

这类黑洞的质量范围极其广泛，从微小的普朗克质量级别到数千倍太阳质量都有可能。

其具体质量取决于形成时宇宙的物理条件和密度扰动的尺度。

原始黑洞长期以来被视为暗物质的候选者之一。

尽管目前尚无确凿观测证据支持这一观点，但科学家仍在通过引力透镜、伽马射线暴和引力波等手段积极搜寻它们的存在。

与恒星演化末期形成的黑洞不同，原始黑洞并非源于核聚变燃料耗尽后的引力坍缩，而是源于宇宙极早期极端高能环境下的直接引力不稳定性。

如果原始黑洞确实存在，它们可能对宇宙结构的形成产生重要影响。

例如，在星系中心或早期原星系团中起到种子作用，促进更大结构的聚集。

近年来，随着LIGOVirgo等引力波探测器的运行，一些异常质量的黑洞合并事件引发了关于原始黑洞是否参与其中的讨论。

这为验证其存在提供了新的观测窗口。

原始黑洞若质量足够小，会因霍金辐射而逐渐蒸发，并可能在今天发生剧烈的爆发现象。

然而至今尚未观测到明确符合此类特征的信号。

研究原始黑洞不仅有助于理解宇宙早期的物理过程，也可能揭示暗物质本质、量子引力效应以及宇宙膨胀机制等基础科学问题。

BY: newscientist FY: AI 如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除 转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处