胡德良

科學(xué)家們認(rèn)為，一些黑洞會(huì)和小質(zhì)量恒星組成雙星系統(tǒng)。如今他們已發(fā)現(xiàn)12個(gè)更小的黑洞圍繞著銀河系中心的巨型黑洞旋轉(zhuǎn)。該圖是一位藝術(shù)家對(duì)銀河系中心的描繪：核心處有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，周圍的12個(gè)黑點(diǎn)就是迄今發(fā)現(xiàn)的小黑洞。從恒星吸出的物質(zhì)在落入黑洞時(shí)會(huì)發(fā)出X射線，因而可以被探測(cè)到。

長(zhǎng)期以來(lái)，天文學(xué)家預(yù)測(cè)在銀河系的中心潛藏著一群黑洞。如今，他們第一次發(fā)現(xiàn)了這些黑洞。

科學(xué)家們了解到，在星系中心有一個(gè)質(zhì)量超大的黑洞，它比太陽(yáng)大數(shù)百萬(wàn)倍，周圍簇?fù)碇|(zhì)量不等的較小黑洞。在巨大引力的作用下，普通恒星及其塌縮后產(chǎn)生的殘骸——中子星和白矮星等奇異天體會(huì)圍繞著這個(gè)超大黑洞旋轉(zhuǎn)。據(jù)推測(cè)，超大黑洞周圍會(huì)有較小黑洞，它們要么源自于星系中心附近滅亡的巨型恒星，要么就是從更加遙遠(yuǎn)的地方遷移過(guò)來(lái)的。這些黑洞的質(zhì)量比太陽(yáng)大10至20倍。因而它們就如同沉重的卵石，會(huì)比細(xì)沙更容易迅速地沉入水底一樣，擠過(guò)周圍質(zhì)量較小的恒星，到達(dá)距離銀河系中心很近的穩(wěn)定軌道上。

自從20世紀(jì)70年代以來(lái)，研究黑洞形成過(guò)程的理論學(xué)家們一直都有這樣的預(yù)測(cè)：星系中心周圍簇?fù)碇汕先f(wàn)個(gè)黑洞，但它們有一個(gè)“邊界”;而在邊界外，黑洞的數(shù)量會(huì)驟然減少。盡管預(yù)測(cè)到黑洞是普遍存在的，但是這些黑洞非常暗淡，且極不活躍，在星系中心燦爛星光的照耀下，很難被探測(cè)到。

利用12年來(lái)錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)的檔案資料，哥倫比亞大學(xué)天體物理學(xué)家查克·黑利帶領(lǐng)一個(gè)研究小組首次觀察到了“邊界”跡象。他們?cè)诰嚯x銀河系中心幾光年處，發(fā)現(xiàn)了12個(gè)完全處于銀河系超大質(zhì)量黑洞的引力范圍內(nèi)的潛在黑洞。根據(jù)這12個(gè)黑洞系統(tǒng)的發(fā)光和空間分布情況，研究小組估計(jì)有1萬(wàn)至2萬(wàn)個(gè)黑洞圍繞著銀河系中心運(yùn)轉(zhuǎn)，但它們絕大多數(shù)是看不見(jiàn)的。除了這12個(gè)新發(fā)現(xiàn)的黑洞外，科學(xué)家們?cè)谡麄€(gè)銀河系僅僅發(fā)現(xiàn)了大約60個(gè)黑洞，它們大部分位于遠(yuǎn)離銀河系中心的地方。

這項(xiàng)研究似乎證實(shí)了馬克·莫里斯等理論家的預(yù)測(cè)。莫里斯是加州大學(xué)洛杉磯分校的天體物理學(xué)家。他在1993年預(yù)測(cè)：在銀河系中心周圍，會(huì)有數(shù)萬(wàn)個(gè)恒星大小的黑洞聚集成一個(gè)圓盤(pán)。在過(guò)去的幾十年中，其他理論家也得出了同樣的初步結(jié)論。莫里斯說(shuō)：“這個(gè)觀點(diǎn)是由簡(jiǎn)單的牛頓力學(xué)原理推導(dǎo)出來(lái)的必然結(jié)果，從來(lái)沒(méi)有多少爭(zhēng)議，但唯一關(guān)鍵的問(wèn)題是，這一點(diǎn)很難證明?！?/p>

而黑利則認(rèn)為：“發(fā)現(xiàn)關(guān)于銀河系中心擁有大量黑洞的證據(jù)，相當(dāng)于證實(shí)了星系動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重大而根本的預(yù)測(cè)。由于我們無(wú)法在其他更為遙遠(yuǎn)的星系中研究這些過(guò)程，因此這些天體還為我們提供了獨(dú)一無(wú)二的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，以幫助我們了解大型黑洞和小型黑洞之間是如何發(fā)生相互作用的。”

黑利及其研究小組之所以使用錢(qián)德拉天文臺(tái)的數(shù)據(jù)，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)X射線進(jìn)行的對(duì)銀河系中心周圍黑洞的觀測(cè)，效果最為明顯。黑洞與一顆小質(zhì)量恒星相互環(huán)繞構(gòu)成的雙星系統(tǒng)會(huì)一直釋放X射線，這是不斷被黑洞吸收的恒星物質(zhì)中的一些能量的釋放形式。最終，恒星會(huì)被黑洞完全吞噬。

恒星受到黑洞引力的吸引，其物質(zhì)會(huì)在黑洞洞口外圍堆積，形成一個(gè)不斷擴(kuò)大的螺旋形圓盤(pán)，即吸積盤(pán)。從地球附近的天區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，吸積盤(pán)發(fā)出的強(qiáng)烈X射線會(huì)顯得異常微弱，每隔5或10分鐘向錢(qián)德拉天文臺(tái)的光學(xué)儀器以逐個(gè)光子的形式發(fā)送一次信號(hào)。此外，許多其他X射線源也會(huì)跟這種微弱信號(hào)混在一起。為了確定這12個(gè)黑洞的性質(zhì)，黑利團(tuán)隊(duì)繪制出其光譜峰值，并跨越不同時(shí)段跟蹤觀測(cè)了它們的活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)其發(fā)光模式跟之前觀測(cè)到的銀河系其他區(qū)域的黑洞雙星系統(tǒng)一致。

莫里斯聲稱，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)雖然令人興奮，但由于可供分析的光子總數(shù)太少，這12個(gè)被認(rèn)定的黑洞中可能有些只是統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的巧合，也可能只是在發(fā)光頻率上恰好跟其他X射線源一致。黑利也承認(rèn)，在發(fā)現(xiàn)的12個(gè)X射線源中只有半數(shù)肯定是黑洞，而其余6個(gè)射線源所表現(xiàn)出的性質(zhì)也可以解釋為快速旋轉(zhuǎn)的中子星，即毫秒脈沖星所發(fā)出的信號(hào)。

盡管存在不確定性，沒(méi)有參與這項(xiàng)研究的巴塞羅那大學(xué)天體物理學(xué)家喬迪·米拉爾達(dá)-艾斯庫(kù)德還是認(rèn)為，這些研究成果應(yīng)該能夠?qū)ξ磥?lái)的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。他說(shuō)：“這樣的發(fā)現(xiàn)總是會(huì)產(chǎn)生目前還無(wú)法預(yù)測(cè)的結(jié)果，但一旦得到證實(shí)，它將表明在整個(gè)宇宙中多數(shù)星系的中心同樣存在很多在密度上相似的黑洞?！倍C實(shí)這一點(diǎn)，或許要借助錢(qián)德拉天文臺(tái)再進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)10年的觀測(cè)，或借助其他有望接替錢(qián)德拉天文臺(tái)的儀器了。

若能進(jìn)一步對(duì)這些隱藏在銀河系中心的黑洞展開(kāi)研究的話，研究引力波的科學(xué)家可能會(huì)從中獲益良多。在一個(gè)多世紀(jì)前，愛(ài)因斯坦就預(yù)測(cè)到時(shí)空中擁有難以發(fā)現(xiàn)的漣漪，最近我們終于觀測(cè)到了這些漣漪，而迄今發(fā)現(xiàn)的大部分漣漪都可以追溯到數(shù)十億年之前正在融合的黑洞。令人難以理解的是，其中多數(shù)黑洞體積過(guò)大，不易直接由即將滅亡的大質(zhì)量恒星形成。于是人們又有了另一種假設(shè)：異常巨大的黑洞由成群的恒星融合演化而來(lái)，這些成群的恒星被稱為“球狀星團(tuán)”。但按常理推測(cè)，這一融合演化過(guò)程所需要的時(shí)間很長(zhǎng)，往往超過(guò)了宇宙當(dāng)前的年齡。莫里斯說(shuō)：“那該如何解釋呢？眾多科學(xué)家對(duì)此做出了各種推測(cè)，但如今如果證實(shí)了有大量的黑洞簇?fù)碓谛窍抵行?，那么就?huì)存在某種機(jī)制，它可能會(huì)使某些黑洞快速生長(zhǎng)，快速形成雙星系統(tǒng)，也加快了相互融合。”若莫里斯的推斷成立，“球狀星團(tuán)”融合演化過(guò)程所需要的時(shí)間也就不會(huì)超過(guò)宇宙的年齡了。

黑利認(rèn)為，科學(xué)家們不管用何種方法繼續(xù)推進(jìn)這一研究，結(jié)果都能“確定像銀河系這樣的常規(guī)星系中心處的黑洞數(shù)量”。這對(duì)那些研究引力波事件的人來(lái)說(shuō)，具有非凡的價(jià)值。因?yàn)樗麄內(nèi)绻胝莆諄?lái)自星系中心的引力波事件的性質(zhì)以及數(shù)量，他們就需要掌握各種相關(guān)信息，而所有這類信息都集中在這個(gè)銀河系的中心。