作者:都芃 来源:科技日报 发布时间:2023/4/4 10:59:11
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原初黑洞与暗物质有关吗?

 

英国杜伦大学3月29日宣布,由该校牵头的一项研究利用引力透镜效应发现了一个超大黑洞,其质量约为太阳质量的300亿倍。

这一研究将黑洞再一次带到了人们面前。在庞大的黑洞家族中,还存在一类十分特殊的黑洞,它们被认为诞生于宇宙的“远古时期”,故被称为原初黑洞。此前,曾有研究者大胆提出,原初黑洞或许与宇宙的另一大“未解之谜”暗物质之间有着千丝万缕的联系,原初黑洞可能正是人类苦苦寻找的暗物质的主要来源。

那么,事实果真如此吗?

原初黑洞是黑洞中的“早产儿”

一般而言,黑洞是由寿终正寝的大质量恒星坍缩而成的。恒星坍缩后形成的致密天体具有强大的引力,甚至能够将光束缚住,故而得名黑洞。由于需要恒星作为“原材料”,通常认知中的黑洞只能形成在宇宙第一批恒星死亡之后,约为大爆炸后的一亿年。

但原初黑洞则不同,作为黑洞中的“早产儿”,它的形成不依赖恒星,它们的出生日期要比恒星更早。苏联理论天体物理学家泽尔多维奇等人在上世纪60年代便提出了原初黑洞的设想。此后,霍金等人也对该设想进行了进一步发展,他们认为在宇宙大爆炸刚发生不久时,宇宙中充斥着各种粒子,但宇宙中各区域的密度并不一致,存在一定程度的密度波动,其中密度较高的区域便可能直接坍缩形成黑洞。中国科学技术大学物理学院天文学系教授蔡一夫表示,通过这种机制产生的黑洞质量分布范围极广,从小于1克到数百万倍太阳质量都有可能。

虽然无法直接证明原初黑洞的存在,但越来越多的观测事实在为原初黑洞理论添砖加瓦。目前人类已能够在很早期的宇宙中观测到质量在数百万倍甚至数亿倍太阳质量的黑洞,而现有的黑洞形成理论无法解释这些超大质量黑洞的形成。“如果是恒星死亡产生的黑洞,其质量范围大约只在3倍到数百倍太阳质量之间,即使考虑到吸积过程和并合的可能,其距离产生超大质量黑洞也还很遥远。”蔡一夫团队硕士研究生马潇汉表示。不仅如此,通过近年来的引力波观测数据,研究者逐渐发现,当下已经观测到的黑洞的质量分布与传统理论有所出入,而原初黑洞理论则可以很好地解释相关现象。

原初黑洞理论自提出至今已有50余年,在很长一段时间内,天文学界对于原初黑洞的研究进展缓慢,直至近年来研究者开始将原初黑洞与宇宙学中的另一大“流量担当”——暗物质紧密联系起来,才使得原初黑洞理论研究再一次受到重视。

目前的观测结果表明,宇宙当中有95%的物质我们知之甚少,我们接触到的物质,即天文学中所说的重子物质只占总物质的5%。在那些我们所不了解的物质中,为星系形成提供引力帮助的暗物质就占据了整个宇宙的约25%。因此,我们完全有理由认为暗物质世界也是一个十分丰富的世界。但暗物质究竟是什么,没有人能给出确切答案。“我们目前只能通过引力效应推测暗物质的存在。”蔡一夫表示。而科学家之所以将原初黑洞列为暗物质的候选者之一,主要原因在于原初黑洞形成于元素合成之前,它可以被归类为非重子物质,并且其动力学性质与暗物质相似。此外,如果用原初黑洞来解释暗物质,也不需要引入超出标准模型的新粒子。

新研究降低原初黑洞是暗物质的可能性

原初黑洞构成全部的暗物质,这个想法听起来十分大胆,因此自提出后便有不少研究者从各个角度对这一问题进行深入探究。

此前,大量的引力波观测数据表明,恒星级质量的原初黑洞构成暗物质的可能性微乎其微。于是有研究者提出,恒星级质量的原初黑洞如果是以成团的方式存在,它们或许就能够通过一些相互作用来改变它们之间的并合率,显著增加它们构成暗物质的可能性,同时也会使其躲过人类现有的微引力透镜观测。但不久前,发表于《物理学评论快报》上的一项研究也指出带有成团特性的恒星级质量的原初黑洞依然不可能是暗物质的全部构成。

马潇汉介绍,由于宇宙中存在红移效应,遥远天体的光线在到达地球时,其波长会发生红移。遥远的星系和类星体发出的光在穿越宇宙时,会被不同距离的中性氢气体进行部分吸收,这体现在光谱上便是密集且不规则的吸收坑,就像是密密麻麻的森林,因此这种现象被称为莱曼α森林。这种方法可以用来探测宇宙中气体的分布,而暗物质作为宇宙中结构形成的帮手,与气体的分布紧密相关,因此莱曼α森林便可以用来帮助我们了解暗物质的分布情况。

据此,研究团队设置了两个约束条件,并将先前天文观测所设定的微透镜约束与被称为莱曼α森林的数据相结合,通过对这两方面数据的深入分析、对比,研究人员发现,如果恒星级质量的原初黑洞真的规避了现有的微引力透镜观测,那么其应该是弱成团,而非强成团,这与此前的观点相互矛盾。因此,研究者认为,恒星级质量的原初黑洞不可能通过增强成团特性来规避现有约束,使其成为暗物质候选体之一。

研究中提到的微引力透镜是一种天文观测手段。其基本原理是,基于广义相对论,光线会因为大质量天体而产生弯曲,类似于透镜对于光线的作用。而如果在我们和极其遥远的发光天体之间存在一些致密的引力源,它们的引力场便会像透镜一样使得我们接收到的光线强度产生相应变化。于是微引力透镜很自然地被用来搜寻引力巨大的黑洞,甚至是其他恒星系统的行星。

但蔡一夫也表示,这一论点虽然在某个维度上降低了原初黑洞作为暗物质构成这一理论的生存空间,但实则其也有相当多的限制条件,“换句话说,任何一个限制条件的破坏,都可能导致这一结论的不成立。”

人类距离找到原初黑洞还有多远

虽然最新研究对于原初黑洞是暗物质的可能性,给出了不那么乐观的结论,但其并没有完全否定恒星级质量的原初黑洞作为暗物质候选者之一的可能性。马潇汉介绍,在原初黑洞的研究领域中,有这样一张图表,纵轴是原初黑洞可能占暗物质的比例,横轴是原初黑洞的质量。虽然目前已经有一些质量范围内的原初黑洞不能构成暗物质,但仍还有一些质量范围内的原初黑洞有可能是构成暗物质的重要部分。

“一个科学理论是不能够被完全证实的,我们只能够证伪。”蔡一夫认为,即使我们确实找到了质量很小的黑洞,比如小于两倍太阳质量的黑洞,那也只能说明在现有的理论框架下我们发现了一个不是由于恒星死亡而产生的黑洞。虽然它非常有可能就是原初黑洞,但这距离能够完全证实原初黑洞理论还有一定的距离。

当然,如果未来我们拥有更强大的观测能力,能够在极早的宇宙中发现辐射物质直接坍缩形成黑洞的迹象,那么或许我们便可以声称我们真正看到了原初黑洞的诞生。可以确定的是,未来借助激光干涉引力波天文台(LIGO)和我国“天琴”等引力波观测项目,以及引力透镜、伽马射线、X射线、紫外线、射电等观测手段,我们有望丰富人类对“黑洞动物园”的了解,能够看到那些正在“进食”或是“沉睡”的黑洞,这些都将帮助我们了解黑洞的形成和演化,也将帮助我们深刻理解暗物质和黑洞之间的联系。

 
 
 
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