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科学|70亿光年外传来大新闻，8颗太阳质量瞬间消失，后羿射掉的吗？( 二 )


在恒星演化模型中 ， 黑洞可以由一颗大质量恒星死亡后引力塌缩而形成 。 当恒星自身的核聚变燃料逐渐耗尽 ， 热核聚变反应产生向外的辐射压力和气体压力一起不足以抵抗永远向心的引力 ， 该大质量恒星就会失稳向内迅猛引力塌缩 ， 引发能量异乎寻常的超新星爆炸 ， 最终在其中心只留下一个连光都逃逸不出的黑洞 。
恒星演化的结果要考虑其初始质量 ， 它们中心最终并非一定成为黑洞 ， 大部分质量偏小的恒星的结局其实是白矮星或中子星 。 理论计算表明 ， 最终要形成黑洞的大质量恒星的核心至少要在3到4倍太阳质量以上 。 这是因为目前理论估计的物质极其致密的中子星质量上限约为3倍太阳质量 ， 质量再大则星体失稳 ， 可以塌缩 ， 也可以爆炸 。
天文学家将已经发现的黑洞按它们的质量一般分为恒星级质量黑洞（Stellar mass black holes ， 简称“sMBHs”）、中等质量黑洞（Intermediate mass black holes ， 简称“IMBHs”）和超大质量黑洞（Supermassive black holes ， 简称“SMBHs”）三类（质量范围详见下图） 。 理论上还预言存在宇宙早期诞生的 ， 尺度和质量极小的原初黑洞 ， 以及近些年来提出的绝超质量黑洞（Hypermassive black holes ， 简称“HMBHs”） ， 它们的质量范围涵盖10^ 10-10^ 12倍太阳质量甚至更大 ， 可以在宇宙包括早期宇宙中的巨大物质库中动力塌缩形成 ， 并且已有重要观测证据的支持 。
科学|70亿光年外传来大新闻，8颗太阳质量瞬间消失，后羿射掉的吗？
本文插图

此图展示致密天体白矮星、中子星和黑洞的质量范围及大致分类 ， 单位采用太阳质量 ， 即 2X10^ 30千克丨图源：NASA
很显然在上图中 ， 从几百到几十万倍太阳质量之间有一个很大的中等黑洞质量区间 ， 难道这一质量范围内的黑洞不存在吗？非也 。 实际上 ， 目前已有不少间接的观测证据暗示着中等质量黑洞的存在 。 在理论上 ， 大种子黑洞支持者认为 ， 由于黑洞的质量生长有速度极限 ， 宇宙学结果认为宇宙早期就应该有很多超大质量黑洞 ， 它们应该是由大种子黑洞成长而成的 。 这些大种子就包含中等质量黑洞 。 但这种假说还没有相对直接的观测证据 。
至于中等质量黑洞是如何起源的 ， 天文学家认为可能是宇宙早期超新星爆发或气体云的坍缩形成 。 此时恒星的重元素大都集中在其核心 ， 最后会出现更强大的爆发 。 而后来形成的恒星 ， 重元素就在其表面 ， 在演化中最终可能被星风吹走 ， 导致不易形成大质量的黑洞 。 如果这种假设成立 ， 最初形成的中等质量黑洞还应该一直存在 ， 可是我们还未发现它们 。
除此之外 ， 中等质量黑洞有可能在球状星团的中央区域形成 ， 也有可能在矮球星系中心存在 。 理论上 ， 天体物理学家提出中等质量黑洞可能由超大质量恒星动力塌缩而成 ， 还可能因磁化超大质量恒星的广义相对论磁流体径向脉动失稳塌缩而成 ， 后者形成的黑洞具有极为宽广的质量范围 ， 同时包括中等质量黑洞和恒星级质量黑洞 。
Tips
所谓的恒星级质量黑洞的质量范围一般在几倍到上百倍太阳质量（这些界定时有浮动） ， 天文学家设想它们正是由大质量恒星自然演化引力塌缩而形成的 。 此前通过引力波探测到的十几个双黑洞都属于这一类型 。 事实上在被引力波实验宣称探测到之前 ， 几十个太阳质量的黑洞并未受到足够的重视和强调 ， 它们的天体物理成因也并未被深入探究 。 基于几年来的引力波事件观测 ， 现在天文学家则经验上认为它们应当遍布在各个星系之内 ， 也可能游荡于宇宙空间 。
在很长时间内 ， 超大质量黑洞的传统质量范围一直在百万到几十亿倍太阳质量之间 。 依据几十年的观测 ， 天文学家推断每个星系（包括椭圆星系、盘状的漩涡星系以及矮星系）中心都存在着这类黑洞 ， 比如我们银河系中心存在约410万倍太阳质量的黑洞 ， 这只是超大质量黑洞中的小字号；而首次拥有“靓照”的M87星系中心的黑洞约有65亿倍太阳质量 ， 算超大质量黑洞中的大块头 。


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