探寻质量最小的黑洞︱只有更小没有最小

123457044

多见者博，多闻者智，拒谏者塞，专己者孤。——桓宽 引自《盐铁论.制议》
当我们把目光投向天空，探索星系的深处，除了有照亮宇宙的恒星，或行星、星云以外，还有一些我们肉眼完全看不见的物质形式。
今天说的不是那些在可见光中看不到的冷气体和尘埃，也不是一些褐矮星或是暗物质！而是大家已经很熟悉的黑洞！前几天我们了解了宇宙中质量最大的黑洞，在类星体TON618中我们发现了660亿个太阳质量的黑洞，那宇宙中有没有最小的黑洞呢？它的质量是多少？我们如何确定附近星系黑洞的质量？
对于黑洞的研究我们已经取得了长足的进步，以前只在理论上存在的天体，我们已经在M87星系的中心拍摄到了黑洞的真容，这个黑洞质量足有65亿个太阳质量！那么我们的银河系的中心呢？
当我们把最大的无线电望远镜指向位于银河系中心的“黑暗”尘埃带时，下图就是我们所看到的，在人马座A*这个非常小、非常特殊的位置上，有一个明亮的射电源。

看起来真的没啥特别的，但是我们发现周围的恒星正以非常高的速度围绕这个位置的某个物体运动，根据周围恒星轨道的运行情况，根据我们已知的万有引力定律，我们不难算出这个物体的质量是太阳质量的400万倍，而且它还不发出可见光。这不仅是我们确信银河系中心超大质量黑洞存在的理由，也是我们知道黑洞质量的一种方法！

曾经有小伙伴问，星系中心是不是都有黑洞啊！事实上，我们目前很确信在星系的中心都存在黑洞，而且大多数星系的中心都有超大质量的黑洞，其中很多黑洞的大小是银河系中心这个庞然大物的许多许多倍。上文说的那个660亿倍的肯定也不是宇宙的极限，因为我们已知的最大IC 1101星系中心黑洞目前还没有被确认，据估计有400-1000亿倍的太阳质量！
超大质量黑洞目前被认为是由数百万颗古老的大质量恒星的尸体合并和吞噬而形成的。一个典型的黑洞是如何产生的？

当我们观察一个年轻的星团时，体积最大、质量最大、光度最高的恒星十分显眼，很容易就会被观察到。人们下意识地会想：这些体积质量越大的恒星，由于燃料充足，可能会活的更久一点，但直觉一般都是错误的！

像O级和B级这样的大质量恒星是太阳质量的几十倍甚至几百倍，但它们燃烧燃料的速度非常快，在短短的几百万年甚至是几十万年就将核心的燃料消耗殆尽，而我们太阳能活120亿年左右，这就是差距！绝大多数的大质量恒星在生命的末期，会死于Ⅱ型超新星爆发。其核心会坍缩形成一颗中子星或黑洞！

在整个恒星的生命周期中，引力一直在压缩恒星，将其向内并试图使恒星坍缩。而核聚变发生在恒星的核心处，产生的辐射压力可以抵抗外部的引力，使恒星保持正常的体积和压力平衡。当核心的核聚变停止时，引力就会使核心坍缩，而这时抵抗引力的是原子内电子之间的简并压（泡利不相容原理）。
在类太阳恒星中（甚至是四倍于太阳质量的恒星），当核聚变结束时，恒星的核心将缩小到地球的大小，形成一颗白矮星！但不会进一步缩小，这时就是原子在支撑着整个恒星！

电子之间的简并压力也并非不可突破，一颗超过太阳质量4倍的恒星就会变成超新星，它的中心区域在坍缩到原子阶段之后，会将原子“压碎”将电子压进原子核并于质子结合，形成一个纯中子的天体，称为中子星！
中子星的质量大约和太阳相当，但体积不像地球那么大，而是在一个直径只有几公里的天体！
虽然原始恒星只有一小部分质量会留在核心，但随着原始恒星质量大小的不同，遗留下的中子星质量也在发生变化，当中子星的质量超过了太阳的3倍，中子也会屈服于引力，被压缩到一个体积无限小，空间曲率无限大，甚至连光也无法逃脱的天体：黑洞！这就是中子星到黑洞的过程！

已知最小的黑洞是什么？现在就我们发现的，有三位候选者。

IGR J17091-3624：双星系统中的一个黑洞，科学家可以探测到它，是因为双星黑洞系统产生了非常强烈的恒星风！并不是有物质落入了黑洞，而是这个黑洞吸积伴星的物质，并将大约95%物质喷射到星际介质中。这是一个低质量黑洞，质量只有太阳质量的3到10倍。

GRO J0422+32：也是一个双星系统，离地球只有8500光年，估计出来的质量相差很大。一些团队声称这是一颗中子星，质量只有太阳的2.2倍；有人说它的质量接近太阳的4倍，毫无疑问，现在还没有定论。

XTE J1650-500：最初官宣的时候它只有3.8个太阳质量，但后来重新估计后，被修正为更接近太阳质量的5倍。这还是一个双星系统，黑洞从吸积盘稳定的发射x射线，科学家一般都是根据黑洞外部发出的辐射和黑洞质量之间的关系，来确定遥远黑洞质量的，目前出入还是比较大的！
无论是2.5倍、2.7倍、3.0倍还是3.2倍太阳质量，这对于一个黑洞来说质量已经十分小了。你可能也会认为这是黑洞可能存在的最小质量。但实际上还有另外三种可能性！总结：就黑洞来说，没有最小只有更小

中子星-中子星合并！
两个中子星的合并过程会产生宇宙中大多数的重元素，比如黄金。在宇宙中，中子星的数量要比黑洞多的多，虽然两颗中子星碰撞的情况相对较少，在一个星系中每10000到10万年左右发生一次，但我们知道，宇宙已经有138亿年的历史，包含了近1万亿个星系！从这些尺度来看，中子星的合并在宇宙中十分常见！
很有可能，当两颗中子星相撞时，即使它们本身的质量没有完全超过形成黑洞的门槛，但这个过程也极有可能在形成超新星爆发后，留下一个黑洞。就在我们银河系中已经发生了大约10万到100万个中子星合并的事件！所以我们很有希望在银河系内就可以找到一个2倍左右太阳质量的黑洞。

黑洞会随着时间的推移失去质量！
由于真空存在量子波动，无论在黑洞的内部、外部还是视界上，都会产生粒子-反粒子的波动，这些粒子会在真空中瞬间出现然后瞬间湮灭，以保证能量守恒。如果有一个波动的虚粒子掉入了黑洞，那么另外一个粒子会从黑洞中带走能量，变为实粒子发生逃逸！尽管这个过程发生得非常缓慢，但由于史蒂芬霍金辐射，黑洞还是会慢慢蒸发!
我们要知道这种辐射不是来自黑洞喷射出来的粒子或反粒子流，而是一些能量非常低、几乎恒定的黑体辐射通量。
那么在巨大的时间尺度上，比如10^68或10^69年，一些质量最低的黑洞就会慢慢的失去质量，最后完全蒸发！
所以，如果你想看到一个质量更小的黑洞，这个好办，说话间有些黑洞已经消失了。以前还有一个微型黑洞的说法，下面了解下。

宇宙生来就有微型黑洞（量子黑洞）？
原始微型黑洞的概念可以追溯到20世纪70年代，这是一个非常好的想法，但是后来的事实证明这不可能。事情是这样的，宇宙曾经是一个热的，密集的，均匀的，快速膨胀的状态。如果一个很小的区域密度比平均密度高了68%，那么这个区域会自动坍缩成一个黑洞，如果宇宙一开始有很多这样的小区域，我们可能会得到一个充满微型黑洞的宇宙。
但事实上我们已经测量了早期宇宙密度波动的大小，也就是微波辐射的波动，以及从最大尺度到最小可测量尺度，密度波动是如何随尺度变化的。

最大的波动并没有比平均水平高出68%，而是只比平均水平高出了0.003%，远远不足以形成一个原始黑洞。而且观察的尺度越来越小，波动也会变得越来越小，所以微型黑洞是不可能的。
以上就是宇宙中最小黑洞的故事，从我们知道的黑洞到我们还没有发现的黑洞，再到我们需要等待的黑洞！