科技日報記者 張夢然

據(jù)最新一期《天體物理學雜志》發(fā)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(zhì)的來源。

NASA羅西X射線定時探索者衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究揭示的多云結(jié)構(gòu)（藝術(shù)圖）。

圖片來源：沃夫?qū)に沟俜?UNAM

他們建立了宇宙如何形成的替代模型，發(fā)現(xiàn)所有黑洞（從小到針頭到能覆蓋數(shù)十億公里的黑洞）都是在大爆炸后立即產(chǎn)生的，并“占據(jù)”了所有暗物質(zhì)。該研究表明黑洞自宇宙誕生以來就已經(jīng)存在，并且這些原始的黑洞，可能就是迄今為止無法解釋的暗物質(zhì)之祖。如果剛剛發(fā)射的詹姆斯?韋布空間望遠鏡未來能收集到確鑿的數(shù)據(jù)加以證明，那么這一發(fā)現(xiàn)可能會改變對暗物質(zhì)和黑洞這兩大宇宙奧秘的起源和性質(zhì)的科學理解。邁阿密大學物理學助理教授尼科·卡佩魯?shù)俦硎荆骸拔覀兊难芯款A(yù)測了如果暗物質(zhì)不是未知粒子，而是來自大爆炸期間形成的黑洞，那么早期宇宙會是什么樣子——它正如斯蒂芬·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(chǎn)生幾個重要的影響，”卡佩魯?shù)僬f，“首先，我們將不再需要‘新物理學’來解釋暗物質(zhì)。其次，這將有助于我們回答現(xiàn)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(zhì)量黑洞怎么會增長得如此之快？鑒于我們今天在現(xiàn)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，即為什么星系的質(zhì)量總是與其中心的超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量成正比?！?/p>

從未直接觀察到的暗物質(zhì)被認為是宇宙中的大部分物質(zhì)，并充當星系形成和發(fā)展的支架。另一方面，已經(jīng)觀察到的、可在大多數(shù)星系中心發(fā)現(xiàn)的黑洞，其空間中物質(zhì)如此緊密地壓縮在一個點，讓它們產(chǎn)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“占據(jù)”著宇宙所有的暗物質(zhì)。

超大質(zhì)量黑洞是如何形成的？什么是暗物質(zhì)？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恒星出現(xiàn)的時間，并不意味著標準模型中沒有考慮黑洞。

圖片來源：ESA官網(wǎng)

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(zhì)量黑洞怎么會在相對較短的時間內(nèi)變得如此之巨大。”他們的模型調(diào)整了霍金和物理學家伯納德·卡爾最初提出的理論，后者認為在大爆炸后的前幾分之一秒內(nèi)，宇宙密度的微小波動可能創(chuàng)造了一個起伏的景觀，其中包含“塊狀”區(qū)域，具有額外的質(zhì)量。這些塊狀區(qū)域會坍塌成黑洞。該理論并未獲得科學依據(jù)，但卡佩魯?shù)?、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，第一批恒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恒星，或與其他黑洞合并而成長為超大質(zhì)量黑洞?！霸鹾诙矗绻鼈兇_實存在，很可能是所有超大質(zhì)量黑洞形成的種子，包括銀河系中心的黑洞，”納塔拉詹說?！斑@個想法讓我個人覺得非常令人興奮，它優(yōu)雅地統(tǒng)一了我正在研究的兩個真正具有挑戰(zhàn)性的問題——探索暗物質(zhì)的本質(zhì)以及黑洞的形成和生長，并一舉解決了它們?！?/p>

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(xiàn)“完全”相同的輻射特征。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——這要取決于去年底從法屬圭亞那發(fā)射的韋布空間望遠鏡和歐洲空間局計劃于2030年代執(zhí)行的激光干涉儀太空天線(LISA)任務(wù)。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(fā)的韋布望遠鏡可回溯超過130億年的宇宙歷史。如果暗物質(zhì)由原始黑洞組成，那么在早期宇宙中，它們周圍就會形成更多的恒星和星系，而這正是宇宙時間機器能夠看到的。“如果第一批恒星和星系已經(jīng)在所謂的‘黑暗時代’形成，韋布應(yīng)該能夠看到它們的證據(jù)，”哈辛格說。與此同時，LISA將能夠從原初黑洞的早期合并中獲取引力波信號。

關(guān)鍵詞： 暗物質(zhì) 黑洞 關(guān)系