NASA發(fā)現(xiàn)原初黑洞與暗物質(zhì)之間可能存在聯(lián)系
2016-06-10 來(lái)源: cnbeta網(wǎng)站
暗物質(zhì)是一種占領(lǐng)了大部分物質(zhì)宇宙的神秘物質(zhì)，現(xiàn)在被廣泛認(rèn)為是大質(zhì)量奇異粒子存在的一種方式。另一種有趣的觀點(diǎn)是暗物質(zhì)是由在宇宙形成之初的第一秒鐘之內(nèi)產(chǎn)生的黑洞，也就是原初黑洞組成的。一位來(lái)自位于馬里蘭州格林貝爾特NASA戈達(dá)德太空飛行中心的科學(xué)家認(rèn)為，這種解釋符合我們對(duì)宇宙紅外線和X射線背景光的了解，而且可能能夠解釋去年探測(cè)到的兩個(gè)并合黑洞所具有的大到不可思議的質(zhì)量。
“這個(gè)研究旨在將廣泛的理念和觀測(cè)結(jié)果結(jié)合起來(lái)以檢驗(yàn)它們究竟能吻合地多好，令人驚訝的是，匹配程度非常高。”一位來(lái)自NASA戈達(dá)德的天體物理學(xué)家亞歷山大?卡什林斯基（Alexander Kashlinsky）說(shuō)，“如果結(jié)果正確，那么所有銀河系，包括我們自己，就生活在一個(gè)由很多質(zhì)量為太陽(yáng)的30倍的黑洞構(gòu)成的巨大范圍中?！?/p>
2005年，卡什林斯基帶領(lǐng)一隊(duì)天文學(xué)家用NASA的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡來(lái)探測(cè)一部分天空的紅外線背景光。研究員發(fā)現(xiàn)背景光中存在大量斑塊分布，并且認(rèn)為它可能是由超過(guò)130億年前，照亮宇宙的第一代亮源的光線*造成的。。之后的研究證實(shí)了天空的其他部分的宇宙紅外線背景輻射（CIB）也有類似的出人意料的結(jié)構(gòu)。
這幅來(lái)自NASA斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡的圖像展示了大熊座所在天區(qū)的紅外視圖。
在遮住了所有已知的恒星、星系和人造衛(wèi)星后，對(duì)剩下的圖像進(jìn)行增強(qiáng)，就得到了不規(guī)則的背景光。這是宇宙紅外線背景輻射（CIB）；更淺色指示更亮的區(qū)域。CIB背景光比遙遠(yuǎn)未知星系可以解釋的更加不規(guī)則，而這種額外的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是宇宙年齡不到10億年時(shí)所發(fā)射的光?？茖W(xué)家們闡釋說(shuō)，該背景光可能是由宇宙中形成的第一代明亮天體產(chǎn)生的，包括第一代恒星和黑洞。
2013年，另一項(xiàng)研究對(duì)比了NASA錢(qián)德拉天文臺(tái)探測(cè)的同一塊天空的宇宙X射線背景輻射（CXB）和紅外線背景輻射。第一代恒星發(fā)出的主要是可見(jiàn)光和紫外線輻射，由于空間的膨脹，它們被拉長(zhǎng)進(jìn)入了紅外線波段，所以它們不應(yīng)該對(duì)宇宙X射線背景輻射有影響。
然而在宇宙X射線背景輻射中低能X射線的不規(guī)則背景光與宇宙紅外線背景輻射中的斑塊的匹配度很高。我們唯一知道的在這么廣的能量范圍內(nèi)都有足夠大的光強(qiáng)的物體就是黑洞。這支研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)稱原初黑洞在最早期的恒星之間分布一定很普遍，在宇宙紅外線背景輻射的輻射源中占到了五分之一的比例。
暗物質(zhì)的本質(zhì)仍然是天體物理學(xué)中非常重要的未解之謎之一?？茖W(xué)家目前更傾向?qū)滴镔|(zhì)解釋為大質(zhì)量奇異粒子的理論模型，但到目前為止所有研究都沒(méi)有成功找到能到證明這些假想粒子真實(shí)存在的證據(jù)。NASA目前將研究這個(gè)問(wèn)題作為阿爾法磁譜儀和費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡任務(wù)的一部分。
“這些研究提供了越來(lái)越靈敏的結(jié)果，逐漸減小了參數(shù)的搜索范圍，使暗物質(zhì)無(wú)處可藏?！笨ㄊ擦炙够f(shuō)，“尋找暗物質(zhì)的失敗帶領(lǐng)我們重燃對(duì)原初黑洞——宇宙誕生之初的幾分之一秒形成的黑洞——對(duì)暗物質(zhì)的影響的興趣?！?/p>
物理學(xué)家們已經(jīng)提出幾種讓大爆炸千分之一秒后溫度極高，膨脹極快的宇宙能夠形成原初黑洞的方式。在這些機(jī)制下，宇宙的年齡越大，可以形成的黑洞越大。而且由于創(chuàng)造黑洞之窗只存在幾分之一秒，科學(xué)家們預(yù)測(cè)原初黑洞的質(zhì)量范圍很小。
去年9月14日，位于華盛頓州漢福德及路易斯安那州利文斯頓的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）捕捉到兩個(gè)13億光年前的黑洞并合所發(fā)出的引力波。這是我們第一次探測(cè)到引力波也是第一次直接觀測(cè)到黑洞。這次的信號(hào)為L(zhǎng)IGO的科學(xué)家們提供了有關(guān)黑洞質(zhì)量的信息，它們的質(zhì)量是29和36太陽(yáng)質(zhì)量，正負(fù)約4太陽(yáng)質(zhì)量。這些值都驚人的大而且相似。
“依據(jù)機(jī)制的不同，原初黑洞可能與LIGO探測(cè)到的黑洞有相似的性質(zhì)?！笨ㄊ擦炙够忉屨f(shuō)，“如果我們假設(shè)是這樣——LIGO捕捉到了兩個(gè)形成于早期宇宙黑洞的并合，我們可以看到這對(duì)我們理解宇宙最終演化的影響?！?/p>
如果原初黑洞的確存在，可能與LIGO團(tuán)隊(duì)在2015年探測(cè)到的并合雙黑洞相似。這個(gè)計(jì)算機(jī)模擬以較慢的速率展示了這次并合過(guò)程在近處觀察的樣子。黑洞周圍的環(huán)叫愛(ài)因斯坦環(huán)，是由于在雙黑洞正后方的所有恒星發(fā)出的光線受到引力透鏡作用被扭曲之后造成的。LIGO所探測(cè)到的引力波并未在視頻中展示，盡管其效應(yīng)可以從愛(ài)因斯坦環(huán)中可以看到。向黑洞后方傳播出去的引力波擾動(dòng)了包括愛(ài)因斯坦環(huán)在內(nèi)的星象，甚至使它們?cè)诓⒑鸵呀?jīng)結(jié)束之后仍在環(huán)內(nèi)晃動(dòng)。如果以真實(shí)時(shí)間尺度回放的話，這個(gè)視頻將只持續(xù)1/3秒鐘。
在5月24號(hào)發(fā)布的天體物理雜志通訊上，卡什林斯基在他的新論文中分析了如果暗物質(zhì)是由一些如LIGO探測(cè)到的黑洞形成將帶來(lái)的后果。黑洞扭曲了早期宇宙的質(zhì)量分布，其所帶來(lái)的微小漲落，對(duì)幾億年后第一代恒星形成時(shí)的宇宙仍造成影響。
在宇宙形成的前5億年，常規(guī)物質(zhì)的溫度太高，無(wú)法并合形成第一代恒星。暗物質(zhì)不會(huì)被高溫影響，因?yàn)椴还芩谋举|(zhì)是什么，它主要通過(guò)引力產(chǎn)生相互作用。彼此之間的吸引將暗物質(zhì)聚合，使其坍縮形成小塊，即“超小暈”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)播下了使得常規(guī)物質(zhì)能夠*的引力種子。高溫氣體向“超小暈”塌縮，形成了密度足夠高的能夠自己進(jìn)一步塌縮形成第一代恒星的氣體團(tuán)?？ㄊ擦炙够C明了如果黑洞與暗物質(zhì)有關(guān)聯(lián)，這個(gè)過(guò)程將會(huì)發(fā)生得更快，并且即使只有一小部分超小暈得以形成恒星，也能很容易地形成斯皮策得到的宇宙紅外線背景數(shù)據(jù)上的斑塊。
當(dāng)宇宙氣體落入“超小暈”中后，“超小暈”構(gòu)成的黑洞也會(huì)自然而然地捕捉一些氣體。落入黑洞的物質(zhì)溫度升高，最終射出X射線。第一代恒星所發(fā)出的紅外線和宇宙氣體落入暗物質(zhì)黑洞所發(fā)出的X射線一起導(dǎo)致了宇宙紅外線背景和宇宙X射線背景斑塊結(jié)構(gòu)的一致性。
在偶然的情況下，一些原初黑洞會(huì)靠得太近而被引力捕獲為雙黑洞系統(tǒng)。在這些雙黑洞系統(tǒng)里的每一對(duì)黑洞會(huì)在極長(zhǎng)的時(shí)間里，發(fā)射出引力輻射，軌道能量減少，向內(nèi)螺旋旋轉(zhuǎn)，最終與并合為一個(gè)更大的黑洞，就像LIGO探測(cè)到的一樣。
“未來(lái)，LIGO的觀測(cè)結(jié)果會(huì)告訴我們更多有關(guān)宇宙黑洞數(shù)量的信息，我們也即將知曉我假設(shè)出的景象是否能被證實(shí)?！笨ㄊ擦炙够f(shuō)。
卡什林斯基帶領(lǐng)著一個(gè)在戈達(dá)德的科學(xué)團(tuán)隊(duì)，他們即將參與計(jì)劃在2020年發(fā)射的歐洲航天局歐幾里得任務(wù)。這個(gè)叫LIBRAE的項(xiàng)目能夠使天文臺(tái)精確地探測(cè)到產(chǎn)生宇宙紅外線背景的輻射源，并且確定其中由黑洞所產(chǎn)生的部分。（翻譯：劉勤）
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