在最大质量的中子星和一个5个太阳质量的黑洞之间是什么？

老橡树1

当涉及到在整个宇宙中发现的天体时，大多数都符合我们的理论预期。然而，但是，有时科学家会发现一个似乎违背传统观念的天体。然而，当这种情况发生时，通常不是因为我们对支配宇宙的规则理解有缺陷，而是因为我们对某些物理过程或环境的建模过于简单。

图：用我们最强大的望远镜（例如哈勃望远镜）观察，相机技术和成像技术的进步使我们能够更好地探测和了解遥远类星体的物理和性质，包括其中心黑洞性质。 然而，黑洞似乎并没有以全部概率存在， 科学家正在努力了解原因。

对于黑洞来说，绝大多数黑洞都起源于一颗临近生命终结的大质量恒星发生的超新星爆炸。随着时间的推移，黑洞可以通过与其他物体合并并吸积额外的质量而增长，它们也可以通过其他天体的合并而形成。从理论上讲，一些黑洞不应该存在，但我们还是看到了它们。这就是它的全部含义。

图：OJ 287的一个耀斑期的X射线和射电复合物。你在两个视图中看到的“轨道轨迹”暗示了次黑洞的运动。这个系统是一个双星超大质量系统，其中一个约为180亿太阳质量，另一个约为1.5亿太阳质量。这两个黑洞都没有突破这个宇宙中存在的最大质量黑洞的极限。

每当你试图对宇宙中应该存在的东西做出预测时，你马上就会受到你所做的假设的约束。按照惯例，宇宙如何形成黑洞的故事如下：

一团分子气体开始崩塌，碎裂成小团，在引力的作用下以很快的速度越来越大。在某个时刻，在团簇的中心区域，核聚变点燃，标志着一颗新恒星的诞生。 质量足够大的恒星将燃烧其核心的氢，然后开始将氦熔化成碳，碳熔化成氧，等等，直到核心的中心含有铁、镍和钴。 此时，核心聚变不再发生，恒星内部发生内爆，导致外层超新星失控爆炸。

图（左）的内部一个巨大的恒星处在最后阶段，前超新星，硅燃烧。（硅燃烧是铁、镍和钴在核心形成的地方）钱德拉拍摄的仙后座图片（右）显示了今天的超新星残余物，包括铁（蓝色）、硫（绿色）和镁（红色）等元素。我们不知道是否所有的塌核超新星都遵循同样的路径。

如果你的恒星低于某一临界值，它在核心产生一个中子星；如果它高于该临界值，它就会产生一个黑洞。那么，理论上，宇宙中黑洞所能拥有的质量应该有一个下限，在较低的质量下，任何其他天体都应该被识别为黑洞以外的物体。

除此之外，恒星的质量也会受到限制，而且随着生命的发展，它们仍然保持稳定。不能简单地通过拥有越来越多的大质量恒星来制造越来越多的大质量黑洞，这是因为恒星质量越大，恒星的核心温度就越高。在一颗足够大的恒星中的某个时刻，恒星的温度将越过一个临界阈值：在这个临界阈值中，内部最高能的光子将自发地开始产生电子-正电子对。

图：这张图说明了天文学家认为触发了超新星事件sn 2006gy的双星产生过程。当产生足够高能量的光子时，它们将产生电子/正电子对，导致压力下降和失控反应，从而摧毁恒星。这一事件被称为不稳定对超新星。超新星的峰值光度，也被称为超发光超新星，比其他任何超新星都大很多倍。

每当这种情况发生时，内部压力就会下降，整个恒星就会在所谓的不稳定对超新星中被摧毁。因此，因此，您可能会认为，这应该导致不存在黑洞的第二个区域：在整个恒星自身破裂之前，可以由核心坍缩超新星产生的最大质量黑洞的阈值以上。

最后，也应该有一个超大质量极限：即使在宇宙的早期产生的一个黑洞，它是以已知的天体物理过程，在现实环境中所允许的最大速率通过吸积和合并而增长，它不可能再更大了。这是我们期望找到的三个差距：

最小质量到恒星质量黑洞 恒星质量范围高端的中间间隙然后是超大质量黑洞的最大质量

图：NGC4261星系的核心，就像许多星系的核心一样，在红外和X射线观测中都显示出超大质量黑洞的迹象。超大质量黑洞的证据是有力的，但是是间接的，我们所做的任何质量估计都将受到实现方法精度的限制。

当然，仅根据某些可能正确或可能不正确的假设来禁止这些预期的“禁区”，并且当这些期望与我们到目前为止所看到的相吻合时，很容易假想我们所有的假设都是正确的。

但重要的是要记住，我们只能希望收集关于黑洞的数据中的一小部分，并且它们的大部分证据是间接的：通过来自系统中心区域附近气体的X射线发射数据怀疑有黑洞的地方。 这些质量估计的可靠性不如直接跟踪轨道或通过引力波直接测量质量。 在可以进行多次测量的情况下，它们通常偏差仍然高达50％。

自从像LIGO和Virgo这样的引力波探测器出现以来，游戏真的发生了变化。

图：通过观察黑洞和中子星等双星源，我们发现了两类天体：低质量天体在2.5太阳质量以下，高质量天体在5个太阳质量及以上。虽然LIGO和Virgo已经探测到比这更大的黑洞和中子星合并的一个实例，其合并后的产物落入间隙区域，但我们仍然不确定在那里还有什么存在。

首先，中子星和黑洞之间的低端间隙开始被填满。在引力克服粒子保持稳定的能力之前，任何粒子集合的质量都有理论上的限制。对于正常原子，钱德拉塞卡质量极限（约为太阳质量的1.4倍）告诉我们白矮星的上限，而对于中子，托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限（约为太阳质量的2.3倍）给出了中子星的极限。如果这些物体旋转，这些数字可以增加一小部分。同时，X射线双星测量从未发现5个太阳质量以下的黑洞。

在最大质量的中子星和一个5个太阳质量的黑洞之间是什么？ 答案肯定是“黑洞”。

图：当两颗中子星合并时，就像这里模拟的那样，它们会产生伽马射线爆发喷流，以及其他电磁现象，如果离地球足够近，我们的一些天文台可能会看到这些现象。预测这些合并的中子星是否会产生另一个中子星、黑洞，或者一个初始中子星，然后变成黑洞，这是一个需要进一步研究和探测。

2017年，天文学家们在引力波和电磁辐射中目睹了两颗中子星，在一个被称为千新星的事件中合并。引力辐射清楚地揭示了两颗中子星被锁定在死亡螺旋中，合并成一个正好落在临界“间隙”范围内的天体。它只有不到3个太阳质量，在坍缩成黑洞之前，似乎在一瞬间保持中子星的状态。

这个“间隙”区域中唯一的黑洞是由中子星合并形成的吗？或者这个区域中的黑洞形成的频率和高质量中子星或5个太阳质量黑洞一样？随着LIGO和Virgo以及其他引力波探测器变得更加灵敏，并积累更多的统计数据，它们将揭示这个问题的答案。

图：该区域的许多星团之一，无尖星团，以巨大的，短暂的明亮的蓝色恒星突出显示。在大约1000万年内，大多数质量最大的超新星将在一个II型超新星中爆炸，不稳定对超新星，或将经历直接崩塌。我们还没有发现所有这些恒星的确切命运，因为我们不知道产生中子星的大灾难和导致黑洞的大灾难之间是否存在根本性的区别。

在黑洞的恒星质量范围的高端呢？不稳定对超新星是真实存在的，确实是一个限制因素，因为它们不会产生黑洞。然而，有一种产生黑洞的完全不同的方法，目前还没有得到很好的理解：直接崩塌。

每当你有足够大的质量集合时，不管它是以气体云或恒星的形式，还是介于两者之间的任何地方，都有可能直接形成黑洞：由于压力不足而无法抵抗而坍塌 引力。多年来，模拟预测该过程中会自发出现黑洞，但观察结果未能证实。几年前，当哈勃太空望远镜看到一颗25个太阳质量的恒星，在没有超新星或其他大灾难的情况下“消失”时，其中一颗出现在了一个不太可能的地方，唯一的解释？直接坍塌。

图：哈勃的可见光/近红外照片显示，一颗质量约为太阳质量25倍的大质量恒星已经消失，没有超新星或其他解释。直接坍缩是唯一合理的候选解释，也是除了超新星或中子星合并之外，第一次形成黑洞的已知方法之一。

从我们已经收集到的LIGO和Virgo数据中，我们知道它应该对太阳质量范围在50到150之间的黑洞很敏感，而且我们根本没有看到任何黑洞在这个范围内激发和融合。基于这些观察，科学家得出的结论是，恒星质量黑洞中有99％必须存在43个太阳质量或以下的太阳质量，这强化了理论上关于质量“cliff”的想法，即大约50个太阳质量。

但确切的数据还没有出来，这实际上是目前争论激烈的研究领域。许多科学家注意到，不同的金属丰度（较重元素的丰度）可以改变恒星生命周期的结果，并推断，如果数值正确，那些较重的黑洞可能相当普遍。此外，直接崩塌使得这些更重的黑洞成为现实。

图：超新星类型是初始质量和比氦重元素初始含量（金属丰度）的函数。请注意，第一个恒星占据了图表的最下面一行，没有金属元素，而黑色区域对应于直接塌陷的黑洞。对于现代恒星来说，我们不确定创造中子星的超新星是否与创造黑洞的超新星有本质上的相同或不同，也不确定它们之间在本质上是否存在“质量差距”。

最后，引力增长或吸积/合并可能导致在这个质量范围内相当多的黑洞出现，特别是在最初大质量恒星的二元/三元/四元/等系统非常丰富的情况下。黑洞合并可能是常见的，也可能是连续发生的（先前合并的黑洞再次合并），或者黑洞可能消耗大量的物质，两种机制都可以非常有效地填补这一理论空白。

这是一个很容易犯的科学错误：当你的数据不需要任何更复杂的东西时，明知存在必定会影响并改变预期结果的相关物理学，也会去假设一个简单的场景。有句老话说，当你的预测与数据相匹配时，你就停止寻找可能的错误、遗漏或过于简单化。但一旦我们这样做，我们很容易误导自己。

这张图来自来自Inayoshi和Haiman在2016年的天体物理学杂志上发表的论文，显示了黑洞质量三个不同值的吸积率（固体）和恒星形成率（虚线）。注意，随着恒星形成速率的增加，气体将从吸积流/吸积盘中排出，吸积速率在很小的距离内急剧下降。

但是，在最高端，确实存在极限。不管您形成黑洞的速度如何，或黑洞生长的速度有多快，都有物理上的限制，限制了在经历了138亿年的宇宙历史后黑洞的真正大小。正如天文学家Inayoshi和Haiman早在2016年所展示的那样，该质量限制的上限约为600亿太阳质量。由于他们的估计和我们目前的观察证据吻合得非常好，这一点似乎已得到检验。

但是，如果我们的宇宙教会了我们任何东西，那就是我们对宇宙中无数个对象的行为所做的简化假设常常被过度简化。随着引力波科学的不断发展和揭示有关宇宙的新真理，我们目前认为的黑洞极限肯定会在未来几年扩大。当我们发现“不应该存在”的黑洞时，我们会看到许多奇怪的头条新闻，因为我们真正发现的是，一个天真的理论偏见会多么误导我们。


原文地址：今日头条