黑洞與暗物質和暗能量有糾纏嗎（居然是這種關係）

2023-10-04 20:44:42 3

◎科技日報記者 張夢然

據最新一期《天體物理學雜誌》發表的一項研究，美國邁阿密大學、耶魯大學和歐洲空間局的天體物理學家們，提出了一個顛覆教科書的觀點：原初黑洞是宇宙中所有暗物質的來源。

NASA羅西X射線定時探索者衛星數據研究揭示的多雲結構的藝術再現圖。圖源：沃夫岡·史蒂芬/UNAM

他們建立了宇宙如何形成的替代模型，發現所有黑洞（從小到針頭到能覆蓋數十億公裡的黑洞）都是在大爆炸後立即產生的，並「佔據」了所有暗物質。

該研究表明黑洞自宇宙誕生以來就已經存在，並且這些原始的黑洞，可能就是迄今為止無法解釋的暗物質之祖。如果剛剛發射的詹姆斯•韋布空間望遠鏡未來能收集到確鑿的數據加以證明，那麼這一發現可能會改變對暗物質和黑洞這兩大宇宙奧秘的起源和性質的科學理解。

邁阿密大學物理學助理教授尼科·卡佩魯蒂表示：「我們的研究預測了如果暗物質不是未知粒子，而是來自大爆炸期間形成的黑洞，那麼早期宇宙會是什麼樣子——它正如史蒂芬·霍金在上世紀70年代所認為的那樣」。

不再需要「新物理學」？

「這將產生幾個重要的影響，」卡佩魯蒂說，「首先，我們將不再需要『新物理學』來解釋暗物質。其次，這將有助於我們回答現代天體物理學中最引人注目的問題之一：早期宇宙中的超大質量黑洞怎麼會增長得如此之快？鑑於我們今天在現代宇宙中觀察到的機制，它們沒有足夠的時間形成。這也將解決一個長期存在的謎團，即為什麼星系的質量總是與其中心的超大質量黑洞的質量成正比。」

從未直接觀察到的暗物質被認為是宇宙中的大部分物質，並充當星系形成和發展的支架。另一方面，已經觀察到的、可在大多數星系中心發現的黑洞，其空間中物質如此緊密地壓縮在一個點，讓它們產生強烈的引力。

由耶魯大學天文學和物理學教授普利亞萬達·納塔拉詹和歐洲空間局科學主任金特·哈辛格共同主導的這項新研究表明，所謂各種大小的原初黑洞，其實「佔據」著宇宙所有的暗物質。

超大質量黑洞是如何形成的？什麼是暗物質？在宇宙如何形成的另一種模型中，與宇宙歷史的「教科書」相比，一組天文學家提出，這兩個宇宙奧秘都可用所謂的原初黑洞來解釋。在圖中，重點是比較第一批黑洞和恆星出現的時間，並不意味著標準模型中沒有考慮黑洞。圖源：歐洲空間局

黑洞啊，你全是謎

「不同大小的黑洞仍然是個謎，」哈辛格解釋道。「我們不明白自宇宙存在以來，超大質量黑洞怎麼會在相對較短的時間內變得如此之巨大。」

他們的模型調整了霍金和物理學家伯納德·卡爾最初提出的理論，後者認為在大爆炸後的前幾分之一秒內，宇宙密度的微小波動可能創造了一個起伏的景觀，其中包含「塊狀」區域，具有額外的質量。這些塊狀區域會坍塌成黑洞。

該理論並未獲得科學依據，但卡佩魯蒂、納塔拉詹和哈辛格表示，只要稍加修改，它就可能是有效的。他們的模型表明，在早期宇宙中，第一批恆星和星系會在黑洞周圍形成。他們還提出，原初黑洞有能力通過吞噬附近的氣體和恆星，或與其他黑洞合併而成長為超大質量黑洞。

「原初黑洞，如果它們確實存在，很可能是所有超大質量黑洞形成的種子，包括銀河系中心的黑洞，」納塔拉詹說。「這個想法讓我個人覺得非常令人興奮，它優雅地統一了我正在研究的兩個真正具有挑戰性的問題——探索暗物質的本質以及黑洞的形成和生長，並一舉解決了它們。」

證實還是否定，或很快知道答案

原初黑洞也可能解決另一個宇宙學難題：與X射線輻射同步的過量紅外輻射，是從散布在宇宙中的遙遠昏暗源中檢測到的。研究人員表示，不斷增長的原初黑洞將呈現「完全」相同的輻射特徵。

最重要的是，原初黑洞的存在，可能會在不久的將來得到證實或否定——這要取決於去年底從法屬蓋亞那發射的韋布空間望遠鏡和歐洲空間局計劃於2030年代執行的雷射幹涉儀太空天線(LISA)任務。

由美國國家航空航天局、歐洲空間局和加拿大航天局為接替哈勃空間望遠鏡開發的韋布望遠鏡可回溯超過130億年的宇宙歷史。如果暗物質由原始黑洞組成，那麼在早期宇宙中，它們周圍就會形成更多的恆星和星系，而這正是宇宙時間機器能夠看到的。

「如果第一批恆星和星系已經在所謂的『黑暗時代』形成，韋布應該能夠看到它們的證據，」哈辛格說。

與此同時，LISA將能夠從原初黑洞的早期合併中獲取引力波信號。

來源： 科技日報