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关于黑洞作为暗物质的争论仍在继续

来源:环球科学

作者:Michael Schirber 

这位画家构想了两个正在融合的黑洞,就像那些近些年由LIGOVirgo设备在几个场合探测到的几个黑洞。这些检测结果让宇宙学家们猜想,可能数量众多的原生黑洞导致了一些暗物质的存在。 

图片来源:LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (A. Simonnet) 

宇宙中的大部分物质是黑物质,而他们的组成依然是个谜。在所提出的组成成分里,或许黑洞是最有可能的,早期的宇宙就已经形成了大量黑洞。这并不是一个崭新的想法,但随着最近对黑洞的引力波探测可以看到这个想法的复兴。对于宇宙学家提出黑洞即暗物质的猜想的支持是相容的,有些研究者认为黑洞是许多在宇宙学著名问题的解决方案,其他人指出限制黑洞的数量的天文观测结果。无论其结果,两方正在进行的争论会推动研究者们更加仔细地评估可靠的数据。 

大部分的宇宙学家有一个关于暗物质的设想,即暗物质可能是一种亚原子粒子,比如是某种弱相对作用大质量粒子,又或者是某种轴子。但是,迟迟找不到这些粒子,这给其他的可能性开启了大门。其中有黑洞的选项,但不是那种普通的通过大质量恒星爆炸得到的黑洞,为了解释暗物质,宇宙学家们需要一种在远在行星形成前产生的黑洞。这种原生黑洞最早是人们在几十年前提出的,但由于从未被发现过迹象,因而并没有引起人们的兴趣。 

2016年事情发生了变化,当年LIGOVirgo合作宣告了第一次发现由两个黑洞合并所发出引力波(2016211日观测到)。这些黑洞的规模(大约30个太阳)比理想恒星模型的稍大一点,而且它们的旋转速率比理想恒星模型的慢,所以许多理论学家开始考虑一个原始起源。“这一领域已经取得令人惊奇的进展。”来自英国瑟赛克斯大学的黑洞专家Christian Byrnes说,“现在很多人想进一步去探索引力波和黑洞。”

这张图表显示了五个已经由LIGOVirgo观察确定的合并后黑洞的质量(一个待定)。 

图片来源:LSC/LIGO/Caltech/Sonoma State (A. Simonnet) 

创造一个原生黑洞的基本秘诀实际上是很简单的:所需的只是在早期宇宙中有一块密度比现在的平均大两倍密度的区域,引力会完成接下来的工作。问题在于如何创造一个高密度的区域,由于早期的宇宙看起来相当的均匀,至少在天文学家所观察到宏观的宇宙微波背景辐射(CMB)上。“如果密度变化和CMD中的一样小,那么并不会产生任何一个黑洞在早期的宇宙。“英国诺丁汉大学的天体物理学家Anne Green解释说。 

但是,理论学家已经设计出一些早期宇宙模型,能在微观上产生大的密度波动,并且符合宇宙微波背景辐射(CMB)的观测结果。一位来自马德里自治大学(Autonomous University of Madrid)的粒子物理学家Juan García-Bellido有一个这样的模型,称为混合型膨胀(hybrid inflation)。它预测早期的宇宙产生大量的且大质量的原生黑洞。García-Bellido说这些黑洞可以解决几个宇宙学的开放性问题。比如,几个原生黑洞的融合可能可以解释X射线研究中远距离观测到的大量的大质量黑洞。原生黑洞在产生宇宙红外背景中观测到的(密度)波动方面起着重要作用。 

但是当然,最令人兴奋的可能性是原生黑洞的数量足够解释暗物质的产生。根据García-Bellido的模型,银河系好比在万亿的黑洞般的大海中游泳。“当你与人们说宇宙中充满黑洞的话,人们会紧张的。”García-Bellido说。但是他补充道,(我们与黑洞的)距离十分遥远,以至于一个黑洞靠近我们太阳系的概率是十分微小的。 

虽然这么说,这些黑洞偶尔会撞上其他东西,尤其是其他黑洞。LIGOVirgo探测到已经有5个(黑洞融合),这可以作为支持相对于10倍太阳质量的黑洞的证据。但是关于这群黑洞是否大到足以产生暗物质的争论仍在继续。 

近来的计算表明,如果暗物质是由10倍到300倍太阳质量的黑洞形成的话,LIGO首轮探测就应该已经发现数百次融合。反向思考的话,数倍太阳质量的黑洞仅能产生百分之一的暗物质。“但依然有附加的说明。”纽约大学的Yacine Ali-Haïmoud承认,他曾帮忙设定了约束。聚类是这些约束中的一点。García-Bellido解释道,原生黑洞可能像星云一样形成了引力束缚组。他相信,这些群体中的引力扰动会降低总体融合率,但是聚类的全部效果仍然是一个活跃的研究领域。 

但是还有其他的原因质疑黑洞是否能形成暗物质。根据不同的数据,像宇宙微波背景辐射(CMB)的观测和矮星系的恒星密度分布,研究人员已经对黑洞中暗物质的数量加以限制。一个最早的限制来自关于黑洞穿过恒星和地球之间时发生的恒星暂时亮化(即所谓的引力透镜效应)的多项研究。一个关于超新星透镜效应的新研究宣称,在某些假设下,重量超过百分之一的太阳质量的黑洞不会是暗物质的主要组成部分。Green说:“很多限制因素共同作用下,可能可以排除质量约为10倍太阳质量的黑洞能构成所有暗物质这种情况。”尽管如此,她称自己保持“中立”,因为仍然可能存在绕过观测边界的场景,例如聚类。 

许多研究者已经选定立场。“这个问题答案显得有点两极分化。”Ali-Haïmoud说。他认为,现在认定是否把黑洞作为暗物质还为时过早。实际上,答案可能是两者都有,黑洞提供一部分,其余的由其他的一些新粒子组合。他说:“我们没有理由相信大自然这么的好心,只给我们一种暗物质。”

翻译:王麟涛 

审校:张哲 

原文链接:https://physics.aps.org/articles/v11/99

本文来自:环球科学
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