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 ， 测算黑洞数量 ， 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 。
此次最新研究中 ， 研究团队利用自己开发的恒星和双星演化代码并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 。 由此结果 ， 人们便可以估算出目前整个可观测宇宙中恒星级黑洞的总数量 。
【多少恒星成黑洞？4000亿亿个！】雷卫华解释 ， 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 。 ”雷卫华说 ， 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 ， 虽然得到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 ， 超大质量黑洞所占更少 。 雷卫华解释 ， 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着恒星的诞生和演化 ， 并影响星系的结构和演化 。
知晓黑洞总数科学意义重大
知道了宇宙中恒星级质量黑洞的总数 ， 可以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 ， 进而可以让人们对恒星演化、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 。
雷卫华说 ， 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起来 ， 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 。 或许未来将有更多关于黑洞的研究揭示更多黑洞的秘密 。
本报采访人员 吴纯新 符晓波