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宇宙诞生之初的黑洞在哪里新澳门萄京娱乐场官

2020-01-15 23:41

“旅行者1号”再立新功 或排除暗物质是微型黑洞假说

跟随上海天文台一起去探寻原初黑洞~物理学家认为在137亿年前宇宙诞生之初可以产生黑洞,这种黑洞就叫做原初黑洞(primordial black holes)。

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遨游太空的“旅行者1 号 ” 图片来源:JPL Caltech/NASA

中心蓝色恒星聚集的区域为极暗矮星系Eridanus II,图片来自V.Belokurov & S. Koposov

■本报见习记者 程唯珈

撰文 | 闫震

自1978年美国天文学家Vera Rubin通过旋转曲线第一次提供了暗物质存在的证据以来,在过去的40年间,天文学观测为暗物质的存在积累了丰富证据。然而,暗物质的本质仍晦暗不明,不过黑洞作为暗物质的一种选择,尽管有可能所占比例极小,但并未完全排除。

一、原初黑洞是什么?

近日,在太空游荡了41年的“旅行者1号”无意之中动摇了一个暗物质理论的大胆猜想,其是小型黑洞的可能性大大降低。

物理学家认为在宇宙诞生之初可以产生黑洞,这种黑洞就叫做原初黑洞(primordial black holes)。

“我从没想过我们能够以任何方式为研究暗物质作出贡献,”自1973年起就一直参与“旅行者1号”项目的加州理工学院太空科学家Alan Cummings表示,“能有这样的发现真是太好了。”

137亿年前,一次大爆炸造就了我们的宇宙。大爆炸之后,空间中存在密度扰动,在一些致密区域,会由于引力塌缩而产生原初黑洞。

几十年来,天体物理学家一直认为,一些不可见的物质为维系星系的稳定提供了额外引力。在发现存在暗物质的初期,黑洞被当作一种极为可能的候选体,吸引了众多天文学家的兴趣。不过现在看来,黑洞完全为暗物质的说法可以被彻底排除,然而极少一部分暗物质由黑洞组成的说法依旧可行。

1966年, Zel'dovich 和 Novikov这两位两位天文学家最早提出可能存在原初黑洞。1971年,在仔细计算了这种黑洞的性质之后,霍金发现原初黑洞的初始质量可能在0.01毫克到几千倍太阳质量之间。

黑洞通常被认为是大质量恒星内部停止核燃烧、在自身重量的作用下坍缩形成的一个致密天体,它被认为体积无穷小,但引力超强。

二、那原初黑洞是否真的存在呢?

但是要想用黑洞解释暗物质绝非易事。在宇宙中,暗物质的重量是普通物质的6倍,所以不可能通过坍缩恒星产生这种不平衡的比例。

天文学家设计了很多观测用来寻找原初黑洞。但是迄今为止,并没有直接证据表明到原初黑洞的存在。

一种仅有的可能性就是原初黑洞。这种黑洞的形成途径和上面的恒星坍缩形成的黑洞不同。在第一代星系和恒星形成之前,宇宙早期物质的微小波动坍缩可能会形成所谓的原初黑洞。这种原初黑洞几乎可以有任意的质量,但如果不与天文观测相冲突,它们的数量就不会过多。例如,一群比太阳质量大得多的黑洞会像炮弹穿过枝形吊灯一样粉碎星系,成群结队的小黑洞则会通过所谓的引力透镜扭曲遥远恒星和星系的图像。

理论上预计质量小的原初黑洞会由于霍金辐射而蒸发,在最后一刻会产生伽马射线辐射。NASA的Fermi卫星有可能探测到地球附近的原初黑洞产生的这种伽马射线辐射。加州大学Santa Cruz分校的研究生Johnson在今年初的一篇论文中利用自己编写的算法在Fermi数据中寻找原初黑洞的信号,但是没有找到,不过他们的结果对地球附近的原初黑洞的数量给出了限制。

“这样的观测结果只给原始黑洞留下了3个可能的质量范围。”英国伦敦玛丽女王大学的宇宙学家Bernard Carr认为,它们的质量可能是太阳的1到10倍,或大约是太阳的十亿分之一,或者低于太阳的千万亿分之一,那些最小的黑洞只有原子核那么大。

三、原初黑洞的间接证据

但法国索邦大学的理论学家Mathieu Boudaud和Marco Cirelli在即将出版的《物理评论快报》刊载的一篇论文中指出,如果它们真的存在,“旅行者1号”应该能探测到那些超小黑洞的表征辐射。黑洞之所以得名,是因为包括光在内的任何物质接近它后都无法逃脱。但是在1973年,已故的霍金推论认为,即便如此,黑洞依然能放射出一些光和粒子。

没有直接证据,但也还是有一些间接的观测证据支持原初黑洞的存在。

根据量子力学,真空中存在着粒子—反粒子对,它们在空间中来回穿梭。霍金意识到,如果一对粒子以恰当的距离出现在黑洞附近,那么其中一个粒子可能会跌入黑洞中,而另一个可能以霍金辐射的形式飞离。黑洞越小,温度越高,辐射也就越大。

斑块的比对带来了新观点

“如果有大量质量非常小的黑洞存在,因为霍金蒸发的温度会非常高,从而释放产生大量正负电子对,那么它们在星际空间应该能够被观测到。”中国科学院国家天文台研究员苟利军告诉《中国科学报》,然而观测结果却没有证实这一点。

2005年,天文学家Kashlinsky利用Spitzer空间红外卫星发现,宇宙的红外背景辐射中存在大量的不规则的斑块状结构,而且随着数据的积累这些奇怪的结构越来越明显,这些结构被认为是第一代恒星产生的辐射,经过红移之后来到了红外波段。

事实上,自2012年“旅行者1号”离开太阳系之前,它已经侦测到一些微弱的、持续的正负电子对流量,这和“旅行者1号”离开太阳系之后探测到的流量相近,并没有什么变化。Boudaud等人的计算结果表明,即使它们都来自微小的黑洞,也不会有足够的黑洞占据银河系暗物质的1%以上,而银河系内超新星爆发遗迹已经足够产生所观测到的这些流量。

在2013年,他们将Chandra空间X射线卫星获得的宇宙X射线背景辐射与相同天区的红外背景辐射进行比较,惊奇的发现这些斑块状结构和X射线背景辐射中的亮斑几乎一一对应,这就表明亮斑处的红外和X射线辐射来自宇宙中的同一区域,他们认为这些X射线辐射来自于原初黑洞的吸积,而且这些原初黑洞构成了暗物质晕。

Carr认为,这项新研究几乎排除了低质量的原始黑洞是暗物质的可能性,他一直倾向于认为黑洞的质量相当于几个太阳质量。“这个低质量的‘窗户’从来都不是我的最爱。如果现在的限制条件排除了这种可能性,我个人不会感到困扰。”

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然而,“旅行者1号”无法搜索更大质量的原始黑洞。质量更大黑洞的霍金温度不高,无法辐射出像电子和正电子这样的大质量粒子。相反,它们只会发出非常微弱的、极难被探测到的光。所以,目前黑洞是暗物质的概念依然存在。

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苟利军介绍,我国在深空探测器的飞行实验阶段进程缓慢。目前我国飞行最远的卫星“嫦娥二号”自绕月飞行任务完成后,正向深空驶进。不过,若想像“旅行者1号”一样飞出太阳系尚有难度。“这其中对于技术的要求很高,对于经费要求也很高昂,发射一个到土星附近的探测器都要几十亿美元。”他说。

上图是红外背景辐射,下图是X射线背景辐射。可以对比红外图中的斑块和X射线图中的亮斑。

不过对于暗物质的探索,我国已取得了长足进步。2015年底,由中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的暗物质粒子探测卫星“悟空”号成功发射升空,在太空中开展高能电子及高能伽马射线探测任务,以寻找暗物质的蛛丝马迹。2017年,科学家利用“悟空”号采集到的数据,获得了世界上迄今最精确的高能电子宇宙线能谱。

图片来源:NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky

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