为什么说超大质量黑洞在理论上不该存在
首先我们需要准确理解“超大质量”的含义。黑洞根据它们的质量分为三类:恒星质量黑洞,它的质量大约是太阳的数十倍;中等质量黑洞,其质量是太阳的100到10万倍;最后是超大质量黑洞,质量是太阳的10万到数十亿倍。一般来说,我们会在星系的中心发现这些超大质量黑洞。 来自恒星核心的向外辐射压力不仅克服引力,它还将粒子从恒星表面推入太空,我们称之为“恒星风”。恒星质量越大,其核心越热,这意味着辐射压力越大,发射的粒子越多。如果恒星的质量足够高,那么恒星风就会非常强烈,以至于恒星的质量会明显下降,这被称为爱丁顿极限。如果一颗恒星试图形成更高的质量,那么该恒星的质量将减小到那个极限,我们估计它大约是130 个太阳质量。如果核心最多只有那个质量的15%,它最终形成的黑洞只有大约 20个太阳质量。 这个20个太阳质量的限制仅适用于恒星质量黑洞的形成,但恒星通常在双星系统中形成,有时甚至是三星系统。如果双星系统中的两颗恒星都在质量上限,那么它们都会变成黑洞。如果我们给它们足够的时间,它们将发射引力波导致轨道越来越近,最终会相互合并。如果有更多时间,那些更大的合并黑洞可以找到彼此,并再次合并。根据我们的估计,黑洞存在的时间足够长,足以使该过程达到最大约200个太阳质量。 早期宇宙是一个非常不同的地方,在恒星出现之前,在星系出现之前,宇宙非常均匀。但它并不完全均匀,这些轻微的不均匀性最终变成了充满星系的超级星团。假设物质在一个特定的地方坍塌得如此之快,以至于它跳过了核聚变并立即变成一个微小的黑洞。这个黑洞被物质所包围,物质会落入导致黑洞增长。这种连续坍缩会释放大量能量,但周围物质的引力也如此之大,它可以像恒星一样达到流体静力平衡。 它将是一颗类星,不过更恰当的称呼是黑洞星。它不是核聚变引起的向外压力,而是由落入黑洞的物质引起的,这颗类星的核心将是黑洞。爱丁顿极限在此时就不适用了,因为该极限假设大部分空间都是空的,可以让粒子逃逸。但在早期的宇宙中,这颗准恒星是被物质所包围,只是密度比恒星本身的密度略低。任何在恒星风中发射的粒子都会被周围物质所弥补。随着时间的推移,周围的物质会落入黑洞。到那时,黑洞将增长到至少一千个太阳质量,也有可能达到数万个太阳质量。 随着时间的推移,这些中等质量的黑洞会积累更多物质,偶尔会相互发现并合并,最终成为我们今天在星系中心看到的超大质量黑洞。不过,这一切并没有证据支持。根据当前的物理学,“黑洞星”只是我们对超大质量黑洞起源的一种猜测。我们甚至还没有对第一代真正的恒星进行过确认的观测,更不用说这些假设的类星了。 |
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中微子天文学:用中微子看到黑洞
极低质量的中微子意味着它们往往以非常接近光速的速度行进。中微子只能通过弱核力和引力相互作用,所以我们可以看到做中微子天文学是多么具有挑战性:中微子相互作用的概率很小,而目前最大的中微子探测器之一是IceCube,这种相互作用可以将中微子转变为它的高质量轻子对应物——电子、μ子或τ子。如果中微子变成τ粒子,它虽然只比宇宙射线预期在大气中产生的中微子多出大约50个,最强大的活动星系核被称为类星体。
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暗物质的发现:从Fritz Zwicky到Vera Rubin
它可以告诉我们几乎所有关于恒星的信息。如果我们知道恒星的实际亮度和颜色,这张图会告诉我们它的半径、它所处的生命阶段,Zwicky所需要的是一个星系的整体亮度,他就可以估算出其中恒星的质量。我们需要测量一种叫作多普勒红移的东西。Zwicky推断那里一定有看不见的暗物质。Zwicky所指的暗物质是不会发射或反射足够的光,Zwicky认为恒星只占宇宙质量的一小部分。
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