知道了宇宙中恒星級質量黑洞的總數，可以幫助人類進一步理解宇宙“巨型怪獸(shou) ”是如何從(cong) “輕種子”黑洞生長起來的，進而可以讓人們(men) 對恒星演化、星係演化等基本天體(ti) 物理過程有更深刻的認識，對雙黑洞係統的形成渠道有更清楚的分辨，對雙星演化涉及的物理過程有更好的理解。

　　黑洞，宇宙中最神秘的天體(ti) 之一，它的起源和形成講述著宇宙的過去和未來。黑洞在宇宙中占比多少？對宇宙有多大影響？科學家一直在尋找答案。

　　不久前，來自意大利國際高等研究院(SISSA)等機構的科學家在《天體(ti) 物理學雜誌》上撰文稱，他們(men) 首次計算出恒星級質量黑洞在整個(ge) 宇宙中的數量及分布情況。他們(men) 估計，宇宙中恒星級質量黑洞的數量達到了4000億(yi) 億(yi) 個(ge) 。

　　天文學家迫切希望摸清黑洞“家底”

　　據悉，研究人員通過黑洞誕生的幾率、恒星質量、星係的金屬豐(feng) 度等多個(ge) 指標綜合評估得到了恒星級質量黑洞數據。

　　“恒星級質量黑洞是大質量恒星演化到終結的產(chan) 物，它的數量中隱含著恒星、雙星形成和演化以及星係形成和演化的信息。”華中科技大學物理學院教授雷衛華表示，研究這些黑洞的數量和質量分布，對於(yu) 理解星係和宇宙的結構及演化具有重要意義(yi) ，因此宇宙中究竟有多少個(ge) 黑洞，也是現代天體(ti) 物理學和宇宙學領域最希望解決(jue) 的問題之一。

　　一般而言，通過質量可以將黑洞劃分為(wei) 恒星級質量黑洞、中等質量黑洞以及超大質量黑洞三類。

　　現有理論認為(wei) ，恒星級質量黑洞，即5倍—150倍太陽質量的黑洞，是恒星走向壽命終點後坍塌而成，這些黑洞互相之間也常發生並合事件，並合後的黑洞質量更大。但是科學家仍不明確，那些超大質量黑洞到底是怎樣發展而來。

　　科學研究表明，很多星係中心都“隱藏”著百萬(wan) 到百億(yi) 倍太陽質量的超大質量黑洞，它們(men) 是宇宙中的“巨型怪獸(shou) ”，而它們(men) 與(yu) 星係之間存在著緊密聯係，其中幾千到百萬(wan) 倍太陽質量的中等質量黑洞被認為(wei) 是形成這些宇宙“巨型怪獸(shou) ”的“重種子”，而恒星級質量黑洞則是形成宇宙“巨型怪獸(shou) ”的“輕種子”。因此，探測出兩(liang) 類“種子”的數量及分布是研究超大質量黑洞形成的理論基礎。

　　那麽(me) ，宇宙中是否存在幾千到百萬(wan) 倍太陽質量的中等質量黑洞？雷衛華表示目前也隻有一些觀測上的初步證據，實際中等質量黑洞是否存在尚不清楚。但是，對於(yu) 解釋一些出現在早期宇宙(宇宙誕生後8億(yi) 年內(nei) )中超過10億(yi) 倍太陽質量的黑洞來說，中等質量黑洞的存在具有決(jue) 定性意義(yi) 。未來空間引力波探測或許會(hui) 給出答案，告訴我們(men) 到底有沒有中等質量黑洞，以及有多少中等質量黑洞。

　　雷衛華介紹，隨著望遠鏡探測能力不斷提升，人類對宇宙的探測越來越深，與(yu) 黑洞相關(guan) 的很多現象都發生在宇宙學尺度，科學家觀測這些現象所獲得的天體(ti) 性質也是在宇宙尺度上的，“估算跨越宇宙演化曆程的黑洞分布和數量對於(yu) 解釋超大質量黑洞具有決(jue) 定性作用，對天體(ti) 物理研究是非常有意義(yi) 的。”雷衛華說。

　　黑洞無法直接觀測該如何計數

　　黑洞引力非常大，無論是物質還是輻射，甚至光都難以從(cong) 黑洞內(nei) 部逃脫，也正因為(wei) 如此，人類無法直接看到它們(men) 。科研人員表示，黑洞無法直接觀測，但可以借由一些間接方式得知黑洞的存在與(yu) 質量。例如，借由物體(ti) 被黑洞吸入前因黑洞引力帶來的加速度而導致的摩擦放出的射線信息，可以推測出黑洞的存在，也可借由間接觀測恒星或星際雲(yun) 氣團繞行軌跡來獲取黑洞的位置以及質量。

　　要估計宇宙中究竟存在多少個(ge) 恒星級質量黑洞，關(guan) 鍵要弄清恒星級質量黑洞在宇宙演化過程中的分布情況，這在天文學中被稱為(wei) 黑洞的質量函數。事實上，測算黑洞數量，還可以使用雙星演化數據、其他不同的理論模型，或基於(yu) 引力波探測的結果來估計恒星級質量黑洞的分布，進而得到宇宙中黑洞的數量。

　　此次最新研究中，研究團隊利用自己開發的恒星和雙星演化代碼並結合宇宙演化曆程中星係物理性質的統計，得到了恒星級質量黑洞在整個(ge) 宇宙演化曆程中的質量分布。由此結果，人們(men) 便可以估算出目前整個(ge) 可觀測宇宙中恒星級黑洞的總數量。

　　雷衛華解釋，具體(ti) 而言，首先需要基於(yu) 已有的觀測知識給出宇宙演化曆程中星係的性質，其中包括會(hui) 對恒星和雙星演化產(chan) 生顯著影響的恒星形成率、恒星質量分布和金屬豐(feng) 度分布等物理量。其次，利用代碼來追蹤這些恒星或雙星的演化過程。

　　“隻有那些大質量的恒星才能在其生命盡頭發生超新星爆發並坍縮為(wei) 黑洞，對於(yu) 雙星係統，其伴星可能在演化中已經被拋射出去或被摧毀，演化為(wei) 孤立黑洞，也有可能形成雙黑洞係統，並輻射引力波。”雷衛華說，這項計算還考慮了雙黑洞係統由於(yu) 輻射引力波而最終並合形成更大質量黑洞，從(cong) 而導致黑洞的質量分布變化的情況。

　　基於(yu) 黑洞質量分布的估計，雖然得到宇宙中黑洞的數量大得驚人，但其總質量仍隻占宇宙中普通物質的1%左右。其中，超大質量黑洞所占更少。雷衛華解釋，通常一個(ge) 星係隻有一個(ge) 超大質量黑洞，這表明大部分的普通物質仍存在於(yu) 星雲(yun) 中，這裏是恒星誕生的地方。這些普通物質將繼續驅動著恒星的誕生和演化，並影響星係的結構和演化。

　　知曉黑洞總數科學意義(yi) 重大

　　知道了宇宙中恒星級質量黑洞的總數，可以幫助人類進一步理解宇宙“巨型怪獸(shou) ”是如何從(cong) “輕種子”黑洞成長起來的，進而可以讓人們(men) 對恒星演化、星係演化等基本天體(ti) 物理過程有更深刻的認識，對雙黑洞係統的形成渠道有更清楚的分辨，對雙星演化涉及的物理過程有更好的理解。

　　雷衛華說，恒星級質量黑洞是明亮X射線源、超新星爆發、短時標伽馬射線暴和千新星等高能天體(ti) 物理現象的中心天體(ti) ，了解黑洞的數量和質量分布，會(hui) 加深我們(men) 對這些天體(ti) 現象及其物理本質的理解，對這些劇烈爆發事件的發生做出預判。而這些高能現象也是生產(chan) 宇宙中重元素的“工廠”，對人類進一步理解生命的起源也至關(guan) 重要。

　　此外，雙黑洞係統是重要的低頻和高頻引力波源，是“天琴”“太極”等空間引力波探測器和地麵引力波探測器的目標源，對黑洞分布的進一步了解，將幫助人類在更高精度研究黑洞物理、限製宇宙學參數，以及檢驗引力理論。

　　研究團隊將恒星和雙星演化模型與(yu) 宇宙演化曆程中星係物理性質結合起來，這種研究思路受到相關(guan) 學界普遍認可，其測算結果也與(yu) 地麵引力波探測器估計的結果基本吻合。但也有研究人員指出，研究中用到了很多簡化和假設，例如隻考慮了孤立恒星和雙星演化形成黑洞的途徑。而形成黑洞的其他渠道，例如星團、活動星係核吸積盤等並未考慮在內(nei) 。這些渠道對較大質量的恒星級質量黑洞的形成也很重要。或許未來將有更多關(guan) 於(yu) 黑洞的研究揭示更多黑洞的秘密。

　　本報記者 吳純新 符曉波