黑洞和暗物质,居然是这种关系?
2022-01-15 08:19:54

据最新一期《天体物理学杂志》发表的一项研究,美国迈阿密大学、耶鲁大学和欧洲空间局的天体物理学家们,提出了一个颠覆教科书的观点:原初黑洞是宇宙中所有暗物质的来源。

他们建立了宇宙如何形成的替代模型,发现所有黑洞(从小到针头到能覆盖数十亿公里的黑洞)都是在大爆炸后立即产生的,并“占据”了所有暗物质。

该研究表明黑洞自宇宙诞生以来就已经存在,并且这些原始的黑洞,可能就是迄今为止无法解释的暗物质之祖。如果近日发射的詹姆斯•韦布空间望远镜未来能收集到确凿的数据加以证明,那么这一发现可能会改变对暗物质和黑洞这两大宇宙奥秘的起源和性质的科学理解。

迈阿密大学物理学助理教授尼科·卡佩鲁蒂表示:“我们的研究预测了如果暗物质不是未知粒子,而是来自大爆炸期间形成的黑洞,那么早期宇宙会是什么样子——它正如斯蒂芬·霍金在上世纪70年代所认为的那样”。

不再需要“新物理学”?

“这将产生几个重要的影响,”卡佩鲁蒂说,“首先,我们将不再需要‘新物理学’来解释暗物质。其次,这将有助于我们回答现代天体物理学中最引人注目的问题之一:早期宇宙中的超大质量黑洞怎么会增长得如此之快?

鉴于我们今天在现代宇宙中观察到的机制,它们没有足够的时间形成。这也将解决一个长期存在的谜团,即为什么星系的质量总是与其中心的超大质量黑洞的质量成正比。”

从未直接观察到的暗物质被认为是宇宙中的大部分物质,并充当星系形成和发展的支架。另一方面,已经观察到的、可在大多数星系中心发现的黑洞,其空间中物质如此紧密地压缩在一个点,让它们产生强烈的引力。

由耶鲁大学天文学和物理学教授普利亚万达·纳塔拉詹和欧洲空间局科学主任金特·哈辛格共同主导的这项新研究表明,所谓各种大小的原初黑洞,其实“占据”着宇宙所有的暗物质。

黑洞啊,你全是谜

“不同大小的黑洞仍然是个谜,”哈辛格解释道。“我们不明白自宇宙存在以来,超大质量黑洞怎么会在相对较短的时间内变得如此之巨大。”

他们的模型调整了霍金和物理学家伯纳德·卡尔最初提出的理论,后者认为在大爆炸后的前几分之一秒内,宇宙密度的微小波动可能创造了一个起伏的景观,其中包含“块状”区域,具有额外的质量。这些块状区域会坍塌成黑洞。

该理论并未获得科学依据,但卡佩鲁蒂、纳塔拉詹和哈辛格表示,只要稍加修改,它就可能是有效的。他们的模型表明,在早期宇宙中,第一批恒星和星系会在黑洞周围形成。他们还提出,原初黑洞有能力通过吞噬附近的气体和恒星,或与其他黑洞合并而成长为超大质量黑洞。

“原初黑洞,如果它们确实存在,很可能是所有超大质量黑洞形成的种子,包括银河系中心的黑洞,”纳塔拉詹说。“这个想法让我个人觉得非常令人兴奋,它优雅地统一了我正在研究的两个真正具有挑战性的问题——探索暗物质的本质以及黑洞的形成和生长,并一举解决了它们。”

证实还是否定,或很快知道答案

原初黑洞也可能解决另一个宇宙学难题:与X射线辐射同步的过量红外辐射,是从散布在宇宙中的遥远昏暗源中检测到的。研究人员表示,不断增长的原初黑洞将呈现“完全”相同的辐射特征。

最重要的是,原初黑洞的存在,可能会在不久的将来得到证实或否定——这要取决于去年底从法属圭亚那发射的韦布空间望远镜和欧洲空间局计划于2030年代执行的激光干涉仪太空天线(LISA)任务。

由美国国家航空航天局、欧洲空间局和加拿大航天局为接替哈勃空间望远镜开发的韦布望远镜可回溯超过130亿年的宇宙历史。如果暗物质由原始黑洞组成,那么在早期宇宙中,它们周围就会形成更多的恒星和星系,而这正是宇宙时间机器能够看到的。

“如果第一批恒星和星系已经在所谓的‘黑暗时代’形成,韦布应该能够看到它们的证据,”哈辛格说。

与此同时,LISA将能够从原初黑洞的早期合并中获取引力波信号。

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