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寻找缺失的黑洞
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2010年05月07日 20:03 本文来源于财新网
除了小型黑洞和超大型黑洞，宇宙是否存在中等质量的黑洞？一个中美研究小组借助美国和欧洲的空间X射线望远镜，给出了肯定的回答
【财新网】（记者 李虎军 7日发自北京）理论上，任意大小的黑洞都可能存在。但科学家们在过去几十年里只发现了小型黑洞和超大型黑洞存在的强有力证据。令天体物理学界疑惑不解的是：质量处于这两类黑洞之间的“中等质量黑洞”是否存在？
清华大学工程物理系及天体物理中心的冯骅博士及其合作者回答了这个谜题。他们利用美国的钱德拉X射线望远镜和欧洲的XMM牛顿X射线望远镜，发现了两例中等质量黑洞可能存在的证据。其研究论文发表于近期出版的《天体物理杂志》。
天体物理的谜团
黑洞是宇宙中神秘的天体，在一定区域内其引力非常大，大到包括光线在内的任何物质都无法从中逃脱。也正因为此，科学家称之为黑洞。
有趣的是，正在大量吸收物质的黑洞不但不黑，反而是宇宙中非常明亮的X射线源。物质在落入黑洞之前，会释放巨大的能量而辐射X射线。这个现象与水电站利用水的落差发电有些相似。
据冯骅介绍，这些X射线辐射发生在黑洞附近的强引力场下，是地球上任何实验室都无法模拟出来的。所以，黑洞为天体物理学家研究极端条件下的物理过程，以及验证爱因斯坦广义相对论提供了极佳的实验环境。
此前，科学家们发现了两类黑洞，一类是小型黑洞，另一类是超大型黑洞。说起来，那些小型黑洞并不算轻，其质量大约相当于10个太阳，被称为恒星级质量黑洞。恒星级质量黑洞与一个普通恒星相互吸引，存在于一个双星系统中。超大型黑洞的学名则是超大质量黑洞，其质量是太阳的百万倍乃至十亿倍，存在于各个星系的中心。
科学家们相信，恒星级质量黑洞是大质量恒星死亡后的产物。至于超大质量黑洞，其产生机制仍然未知，但科学家认为它们和整个星系的形成有密切关系。在银河系的中心，就暗藏着一个比太阳重几百万倍的超大质量黑洞。
然而，在天体物理中始终有着不解谜团：是否存在中等质量的黑洞？如果存在，它们是如何形成的，与已知的两类黑洞又有什么关系？而科学家们将中等质量黑洞叫做“缺失的黑洞”，或者说是黑洞质量分布上“缺失的环节”。
过去20年中，科学家们利用X射线观测，找到了一类新的天体，称为超亮X射线源。这些超亮X射线源比最亮的恒星级质量黑洞要亮10倍到上百倍，这意味着，其间可能包含中等质量的黑洞。不过，由于缺乏足够证据，中等黑洞是否存在仍然颇具争议。
神秘黑洞的发现
围绕中等质量黑洞的种种谜团，也激发了清华大学冯骅博士的兴趣。2008年，他和美国爱荷华大学Philip Kaaret博士等合作者向美国的钱德拉X射线望远镜和欧洲的牛顿X射线望远镜提出观测申请，希望寻找那些缺失的中等质量黑洞。
钱德拉X射线望远镜花费十几亿美元，牛顿X射线望远镜花费近7亿欧元。但这两个投入巨大的大型望远镜并不神秘，其观测时间和数据均向全世界科学家开放。记者曾经和几位国外同行参观位于美国马萨诸塞州剑桥市的钱德拉X射线天文台。美国非常重视反恐，但这个天文台几乎没有安保措施，任何人都几乎可以轻易地混入。
2009年，冯骅从美国回到中国以后，与合作者进行了三次观测。空间观测不需要研究人员到现场，他们完全是通过网络和电子邮件进行联络。
这个研究小组将目光放在了一个代号为M82、距离地球1200万光年的星暴星系。M82有大量恒星正在形成，这点与宇宙早期形成超大质量黑洞的环境非常类似。
研究小组利用三次新观测的数据，以及其他历史观测数据，找到了M82中最亮的两个X射线源可能包含中等质量黑洞的证据。冯骅说：“这两个中等质量黑洞，可能是超大质量黑洞形成过程中的‘幸存者’”。
关于超大质量黑洞的形成机制，仍无定论。根据其中一个假说，在恒星密集的星团内，大质量恒星通过互相碰撞合并成更大质量的恒星，这些恒星死亡后塌缩成中等质量黑洞。而这些星团带着中等质量黑洞向星系中心沉积，最后由中等质量黑洞合并形成超大质量黑洞。
在这个假说之下，如果星团质量不足够大或者初始的位置离星系中心不足够近，那么它们有可能还没来得及掉入星系中心而“幸存”下来。冯骅说，目前尚不清楚这样的物理过程是否真的在M82上发生，但是两个中等质量黑洞确实位于星团之内或附近。
这一发现，也可能反过来为超大质量黑洞——宇宙中最大型黑洞的成因提供线索。
冯骅及其合作者的发现，离不开钱德拉X射线望远镜和牛顿X射线望远镜的帮助。由于大气会吸收X射线，X射线天文观测只能在卫星轨道上进行。由于投资巨大，目前只有美国、欧洲和日本拥有空间X射线望远镜。其中，美国的钱德拉X射线望远镜分辨率最高，欧洲的牛顿X射线望远镜则具有很大的面积。
一些中国科学家也想发射自己的空间X射线望远镜。实际上，中国科学院高能所正联合清华大学等机构，研制硬X射线调制望远镜 (HXMT)，希望帮助科学家在不远的将来发现更多黑洞。■
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