多少恒星成黑洞

◆吴纯新 符晓波

黑洞，宇宙中最神秘的天体之一，它的起源和形成讲述着宇宙的过去和未来。近日，来自意大利国际高等研究院等机构的科学家在《天体物理学杂志》上撰文称，他们首次计算出恒星级质量黑洞在整个宇宙中的数量及分布情况。据估计，宇宙中恒星级质量黑洞的数量达到了4000亿亿个。

图1 LB-1艺术想象图 （图/新华社 喻京川 绘）

天文学家迫切希望摸清黑洞“家底”

通过黑洞诞生的几率、恒星质量、星系的金属丰度等多个指标，研究人员综合评估得出了恒星级质量黑洞的数据。

恒星级质量黑洞是大质量恒星演化到终结的产物，它的数量中隐含着恒星、双星形成和演化以及星系形成和演化的信息。研究这些黑洞的数量和质量分布，对于理解星系和宇宙的结构及演化具有重要意义，因此，宇宙中究竟有多少个黑洞也是现代天体物理学和宇宙学领域最希望解决的问题之一。

一般而言，通过质量可将黑洞划分为恒星级质量黑洞、中等质量黑洞以及超大质量黑洞三类。现有理论认为，恒星级质量黑洞即5～150倍太阳质量的黑洞由恒星走向生命终点后坍塌而成，这些黑洞互相之间也常发生并合事件，合并后的黑洞质量更大。但科学家仍不明确，那些超大质量黑洞是如何发展而来的。

图2 黑洞的偏振图像 新华社发（图/中国科学院上海天文台供）

科学研究表明，很多星系中心都“隐藏”着百万到百亿倍太阳质量的超大质量黑洞，而它们与星系之间有着紧密联系，其中几千到百万倍太阳质量的中等质量黑洞被认为是形成宇宙“巨型怪兽”的“重种子”，而恒星级质量黑洞则是形成宇宙“巨型怪兽”的“轻种子”。因此，探测出两类“种子”的数量及分布是研究超大质量黑洞形成的理论基础。

那么，宇宙中是否存在几千到百万倍太阳质量的中等质量黑洞呢？

目前只有一些观测上的初步证据，实际中等质量黑洞是否存在尚不清楚。但是，对于解释一些出现在早期宇宙（宇宙诞生后8亿年内）中超过10亿倍太阳质量的黑洞来说，中等质量黑洞的存在具有决定性意义。未来空间引力波探测或许能给出答案，告诉我们到底有没有中等质量黑洞，以及有多少中等质量黑洞。

随着望远镜探测能力的不断提升，人类对宇宙的探测越来越深入，与黑洞相关的很多现象都发生在宇宙学尺度，科学家观测这些现象所获得的天体性质也是在宇宙尺度上的，估算跨越宇宙演化历程的黑洞分布和数量对解释超大质量黑洞具有决定性作用，对天体物理研究是非常有意义的。

黑洞如何计数

黑洞引力非常大，无论是物质还是辐射，甚至光都难以从黑洞内部逃脱，也正因为如此，人类无法直接看到它们。虽然无法直接观测黑洞，但可借由一些间接方式得知黑洞的存在与质量。例如，借由物体被黑洞吸入前因黑洞引力带来的加速度而导致的摩擦放出的射线信息，可以推测出黑洞的存在，也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹来获取黑洞的位置以及质量。

要估计宇宙中究竟存在多少个恒星级质量黑洞，关键要弄清恒星级质量黑洞在宇宙演化过程中的分布情况，这在天文学中被称为黑洞的质量函数。事实上，还可以使用双星演化数据、其他不同的理论模型，或基于引力波探测的结果来估计恒星级质量黑洞的分布，进而得到宇宙中黑洞的数量。

该研究团队在此次研究中利用自己开发的恒星和双星演化代码结合宇宙演化历程中星系物理性质的统计，得到了恒星级质量黑洞在整个宇宙演化历程中的质量分布。因此，人们便可估算出目前整个可观测宇宙中恒星级黑洞的总数量。

具体而言，首先需要基于已有的观测知识给出宇宙演化历程中星系的性质，其中包括会对恒星和双星演化产生显著影响的恒星形成率、恒星质量分布和金属丰度分布等物理量。其次，利用代码来追踪这些恒星或双星的演化过程。

只有那些大质量的恒星才能在其生命尽头发生超新星爆发并坍缩为黑洞，对于双星系统，其伴星可能在演化中已经被抛射出去或被摧毁，演化为孤立黑洞，也有可能形成双黑洞系统，并辐射引力波。这项计算还考虑了双黑洞系统由于辐射引力波而最终并合形成更大质量的黑洞，从而导致黑洞的质量分布变化的情况。

基于黑洞质量分布的估计，虽然宇宙中黑洞的数量大得惊人，但其总质量仍只占宇宙中普通物质的1%左右。其中，超大质量黑洞占比更少。通常一个星系只有一个超大质量黑洞，这表明大部分的普通物质仍存在于星云中，这里是恒星诞生的地方。这些普通物质将继续驱动恒星诞生和演化，并影响星系的结构和演化。

知晓总数科学意义重大

了解宇宙中恒星级质量黑洞的总数可帮助人类进一步理解，宇宙“巨型怪兽”是如何从“轻种子”黑洞成长起来的，进而让人们对恒星演化、星系演化等基本天体物理过程有更深刻的认识，对双黑洞系统的形成渠道有更清楚的分辨，对双星演化涉及的物理过程有更好的理解。

恒星级质量黑洞是明亮X射线源、超新星爆发、短时标伽马射线暴和千新星等高能天体物理现象的中心天体，了解黑洞的数量和质量分布会加深我们对这些天体现象及其物理本质的理解，对这些剧烈爆发事件的发生做出预判。而这些高能现象也是生产宇宙中重元素的“工厂”，对人类进一步理解生命的起源也至关重要。

此外，双黑洞系统是重要的低频和高频引力波源，是“天琴”“太极”等空间引力波探测器和地面引力波探测器的目标源，对黑洞分布的进一步了解将帮助人类在更高精度研究黑洞物理、限制宇宙学参数，以及检验引力理论。

研究团队将恒星和双星演化模型与宇宙演化历程中星系物理性质结合，这种研究思路受到相关学界普遍认可，其测算结果也与地面引力波探测器估计的结果基本吻合。但也有研究人员指出，研究中用到了很多简化和假设，例如只考虑了孤立恒星和双星演化形成黑洞的途径，而形成黑洞的其他渠道，例如星团、活动星系核吸积盘等并未被考虑在内，这些渠道对较大质量的恒星级质量黑洞的形成也很重要。未来，或许将有更多关于黑洞的研究揭示出更多黑洞的秘密。