目前来看,天文学家其实对于银河系的总质量并没有统一而精确的结论,通常认为银河系的质量在五千亿倍太阳质量以上,如果考虑到暗物质的存在,银河系的总质量可能会高达一万亿倍太阳质量。宇宙中存在着数不尽的星星,那么会有单颗星星质量超过银河系的情况吗?
夜空中的银河系
遥望星空,除了太阳系内的行星,我们肉眼所看到的星星全部都是恒星,而且绝大部分都是距离我们一百光年之内的恒星,随着天文学的进步,人类观测到的天体数量有了爆炸式增长。天文学家目前发现的最大的恒星是位于大麦哲伦星云的R136a1,该星是一颗蓝特超巨星,R136a1的发现要追溯到1960年,但是由于当时观测技术的限制,天文学家对于非常明亮的R136区域内含有的恒星数量并不清楚,如果仅存在一颗恒星的话,该星的质量可能会高达太阳质量的三千倍以上,这个问题直到哈勃望远镜的升空才得以解决,最终科学家在该区域内发现了三千多颗恒星和46颗超大质量恒星,而R136a1是其中最大最亮的一颗。科学家估计R136a1的质量约为256倍太阳质量,但显然它和一个星系的质量是相距甚远的,即使它是人类发现的最大的星星。
蕴藏R136a1的狼蛛星云
目前的科学理论认为,恒星其实存在质量上限。我们知道恒星之所以可以稳定的发光发热,主要是由于其内部的核聚变反应产生的辐射压和恒星自身的重力收缩处于平衡状态,如果恒星的质量过于庞大则会打破这种平衡。科学家认为,随着恒星质量的增加,其内部的核聚变反应也会越来越剧烈,由此产生的能量规模必然也会更加庞大,而恒星仅通过光辐射形式不足以释放内部产生的巨大能量,聚集在恒星内部的能量会使恒星内的粒子获得巨大的动能,并逐渐传递到恒星的外部,这些动能最终转化为恒星外部物质的重力势能,具体表现就是恒星的外侧物质抛离恒星本体,此时恒星也就处于理论中的质量上限,也就是爱丁顿极限。
英国天体物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿爵士
爱丁顿极限是指恒星的辐射压力不超过引力时的光度上限值,科学家最初认为能达到该极限的恒星质量约为150倍太阳质量,但无疑具有256倍太阳质量的R136a1有力的推翻了这个说法,不过由该理论预测的一些现象却正在R136a1上上演,天文学家观测认为,R136a1产生的恒星风速度高达2700千米/秒,由此导致的质量损失速度超过太阳的十亿倍,强烈的辐射压也会推离周围的星云物质,因此有科学家认为,R136a1即使不是恒星的质量上限,也应该非常接近了,从这点来看,宇宙中是不会存在质量超过银河系的恒星的。
蓝超巨星想象图
由于黑洞的强引力效应,黑洞本身无法发出光线,但是由于黑洞对物质的吸收以及吸积盘的存在,它们反而有可能形成比恒星还要明亮的类星体。我们知道由于爱丁顿极限的存在,理论上不会出现质量比银河系还要大的恒星,那么黑洞有可能实现这个目标吗?现代科学认为,黑洞的起源主要包含三个方面,既宇宙原始高密度物质塌缩形成的太初黑洞,以及致密天体碰撞融合形成的黑洞和大质量恒星死亡坍缩形成的黑洞。太初黑洞目前仅是理论上的黑洞形成方式,而目前已知的中子星或者白矮星等致密天体其实也来自于恒星的演化,从这点我们很容易想到,恒星的质量远远低于银河系,那么由恒星形成的黑洞质量会更高吗?
类星体想象图
虽然黑洞起源于恒星,但是大部分黑洞的质量往往高于恒星,这是因为目前的理论并没有对黑洞自身的质量作出限制,如果一颗黑洞可以吸收整个银河系,那么显然它的质量也会超过银河系;不过黑洞并非严格的“只吃不吐”,黑洞的质量损失主要以霍金辐射的形式产生,但是霍金辐射理论表明质量越大的黑洞,其质量损失越不明显。
由于霍金辐射的存在,黑洞会丢失质量。
目前人类发现的质量最大的黑洞是TON 618,它距离我们约104亿光年,质量约为太阳质量的660亿倍,这个质量已经超过银河系的卫星星系Segue 2,但是和银河系相比还是有非常大的差距。科学家认为虽然黑洞本身并不存在质量上限,但是如果没有足够的物质补充,黑洞的质量必然无法继续增加,当黑洞质量过于庞大时,可能会摧毁自身的吸积盘,吸积盘物质可能在自身引力的作用下,聚合形成恒星,由于角动量的存在,它们将不会再坠入黑洞。除此之外,黑洞对物质的吸积和吸积盘本身都会产生强烈的辐射压,这可能会导致吸积盘周围的气体和尘埃被逐渐推离,从而逐渐断绝黑洞的“粮食供应”。从时间上来看,除了黑洞和其他天体之间的碰撞等原因外,即使有充足的物质供应,黑洞也不可能“一口吃成胖子”,黑洞的质量每增加一倍,可能需要上千万年的时间,而我们的宇宙诞生至今不过138亿年左右,或许这也是我们无法找到质量超过银河系质量的黑洞的原因。
黑洞概念图
综上所述,由于爱丁顿极限的存在,单颗恒星的质量是不可能超过银河系的。对于类星体而言,过于庞大的质量可能会断送“喂养”黑洞的物质,从而限制黑洞质量的增加,从时间上来看,一颗普通黑洞通过不断的吸积演化为质量超过银河系的规模,其所需要的时间可能比宇宙诞生的时间还要久。那么,我们能找到一颗比银河系质量还要大的星星吗?
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