英國(guó)杜倫大學(xué)3月29日宣布，由該校牽頭的一項(xiàng)研究利用引力透鏡效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大黑洞，其質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的300億倍。
這一研究將黑洞再一次帶到了人們面前。在龐大的黑洞家族中，還存在一類(lèi)十分特殊的黑洞，它們被認(rèn)為誕生于宇宙的“遠(yuǎn)古時(shí)期”，故被稱(chēng)為原初黑洞。此前，曾有研究者大膽提出，原初黑洞或許與宇宙的另一大“未解之謎”暗物質(zhì)之間有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，原初黑洞可能正是人類(lèi)苦苦尋找的暗物質(zhì)的主要來(lái)源。
【資料圖】
那么，事實(shí)果真如此嗎？
原初黑洞是黑洞中的“早產(chǎn)兒”
一般而言，黑洞是由壽終正寢的大質(zhì)量恒星坍縮而成的。恒星坍縮后形成的致密天體具有強(qiáng)大的引力，甚至能夠?qū)⒐馐`住，故而得名黑洞。由于需要恒星作為“原材料”，通常認(rèn)知中的黑洞只能形成在宇宙第一批恒星死亡之后，約為大爆炸后的一億年。
但原初黑洞則不同，作為黑洞中的“早產(chǎn)兒”，它的形成不依賴(lài)恒星，它們的出生日期要比恒星更早。蘇聯(lián)理論天體物理學(xué)家澤爾多維奇等人在上世紀(jì)60年代便提出了原初黑洞的設(shè)想。此后，霍金等人也對(duì)該設(shè)想進(jìn)行了進(jìn)一步發(fā)展，他們認(rèn)為在宇宙大爆炸剛發(fā)生不久時(shí)，宇宙中充斥著各種粒子，但宇宙中各區(qū)域的密度并不一致，存在一定程度的密度波動(dòng)，其中密度較高的區(qū)域便可能直接坍縮形成黑洞。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系教授蔡一夫表示，通過(guò)這種機(jī)制產(chǎn)生的黑洞質(zhì)量分布范圍極廣，從小于1克到數(shù)百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量都有可能。
雖然無(wú)法直接證明原初黑洞的存在，但越來(lái)越多的觀測(cè)事實(shí)在為原初黑洞理論添磚加瓦。目前人類(lèi)已能夠在很早期的宇宙中觀測(cè)到質(zhì)量在數(shù)百萬(wàn)倍甚至數(shù)億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，而現(xiàn)有的黑洞形成理論無(wú)法解釋這些超大質(zhì)量黑洞的形成。“如果是恒星死亡產(chǎn)生的黑洞，其質(zhì)量范圍大約只在3倍到數(shù)百倍太陽(yáng)質(zhì)量之間，即使考慮到吸積過(guò)程和并合的可能，其距離產(chǎn)生超大質(zhì)量黑洞也還很遙遠(yuǎn)。”蔡一夫團(tuán)隊(duì)碩士研究生馬瀟漢表示。不僅如此，通過(guò)近年來(lái)的引力波觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究者逐漸發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下已經(jīng)觀測(cè)到的黑洞的質(zhì)量分布與傳統(tǒng)理論有所出入，而原初黑洞理論則可以很好地解釋相關(guān)現(xiàn)象。
原初黑洞理論自提出至今已有50余年，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，天文學(xué)界對(duì)于原初黑洞的研究進(jìn)展緩慢，直至近年來(lái)研究者開(kāi)始將原初黑洞與宇宙學(xué)中的另一大“流量擔(dān)當(dāng)”——暗物質(zhì)緊密聯(lián)系起來(lái)，才使得原初黑洞理論研究再一次受到重視。
目前的觀測(cè)結(jié)果表明，宇宙當(dāng)中有95%的物質(zhì)我們知之甚少，我們接觸到的物質(zhì)，即天文學(xué)中所說(shuō)的重子物質(zhì)只占總物質(zhì)的5%。在那些我們所不了解的物質(zhì)中，為星系形成提供引力幫助的暗物質(zhì)就占據(jù)了整個(gè)宇宙的約25%。因此，我們完全有理由認(rèn)為暗物質(zhì)世界也是一個(gè)十分豐富的世界。但暗物質(zhì)究竟是什么，沒(méi)有人能給出確切答案。“我們目前只能通過(guò)引力效應(yīng)推測(cè)暗物質(zhì)的存在。”蔡一夫表示。而科學(xué)家之所以將原初黑洞列為暗物質(zhì)的候選者之一，主要原因在于原初黑洞形成于元素合成之前，它可以被歸類(lèi)為非重子物質(zhì)，并且其動(dòng)力學(xué)性質(zhì)與暗物質(zhì)相似。此外，如果用原初黑洞來(lái)解釋暗物質(zhì)，也不需要引入超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子。
新研究降低原初黑洞是暗物質(zhì)的可能性
原初黑洞構(gòu)成全部的暗物質(zhì)，這個(gè)想法聽(tīng)起來(lái)十分大膽，因此自提出后便有不少研究者從各個(gè)角度對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行深入探究。
此前，大量的引力波觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，恒星級(jí)質(zhì)量的原初黑洞構(gòu)成暗物質(zhì)的可能性微乎其微。于是有研究者提出，恒星級(jí)質(zhì)量的原初黑洞如果是以成團(tuán)的方式存在，它們或許就能夠通過(guò)一些相互作用來(lái)改變它們之間的并合率，顯著增加它們構(gòu)成暗物質(zhì)的可能性，同時(shí)也會(huì)使其躲過(guò)人類(lèi)現(xiàn)有的微引力透鏡觀測(cè)。但不久前，發(fā)表于《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》上的一項(xiàng)研究也指出帶有成團(tuán)特性的恒星級(jí)質(zhì)量的原初黑洞依然不可能是暗物質(zhì)的全部構(gòu)成。
馬瀟漢介紹，由于宇宙中存在紅移效應(yīng)，遙遠(yuǎn)天體的光線(xiàn)在到達(dá)地球時(shí)，其波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生紅移。遙遠(yuǎn)的星系和類(lèi)星體發(fā)出的光在穿越宇宙時(shí)，會(huì)被不同距離的中性氫氣體進(jìn)行部分吸收，這體現(xiàn)在光譜上便是密集且不規(guī)則的吸收坑，就像是密密麻麻的森林，因此這種現(xiàn)象被稱(chēng)為萊曼α森林。這種方法可以用來(lái)探測(cè)宇宙中氣體的分布，而暗物質(zhì)作為宇宙中結(jié)構(gòu)形成的幫手，與氣體的分布緊密相關(guān)，因此萊曼α森林便可以用來(lái)幫助我們了解暗物質(zhì)的分布情況。
據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)置了兩個(gè)約束條件，并將先前天文觀測(cè)所設(shè)定的微透鏡約束與被稱(chēng)為萊曼α森林的數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)這兩方面數(shù)據(jù)的深入分析、對(duì)比，研究人員發(fā)現(xiàn)，如果恒星級(jí)質(zhì)量的原初黑洞真的規(guī)避了現(xiàn)有的微引力透鏡觀測(cè)，那么其應(yīng)該是弱成團(tuán)，而非強(qiáng)成團(tuán)，這與此前的觀點(diǎn)相互矛盾。因此，研究者認(rèn)為，恒星級(jí)質(zhì)量的原初黑洞不可能通過(guò)增強(qiáng)成團(tuán)特性來(lái)規(guī)避現(xiàn)有約束，使其成為暗物質(zhì)候選體之一。
研究中提到的微引力透鏡是一種天文觀測(cè)手段。其基本原理是，基于廣義相對(duì)論，光線(xiàn)會(huì)因?yàn)榇筚|(zhì)量天體而產(chǎn)生彎曲，類(lèi)似于透鏡對(duì)于光線(xiàn)的作用。而如果在我們和極其遙遠(yuǎn)的發(fā)光天體之間存在一些致密的引力源，它們的引力場(chǎng)便會(huì)像透鏡一樣使得我們接收到的光線(xiàn)強(qiáng)度產(chǎn)生相應(yīng)變化。于是微引力透鏡很自然地被用來(lái)搜尋引力巨大的黑洞，甚至是其他恒星系統(tǒng)的行星。
但蔡一夫也表示，這一論點(diǎn)雖然在某個(gè)維度上降低了原初黑洞作為暗物質(zhì)構(gòu)成這一理論的生存空間，但實(shí)則其也有相當(dāng)多的限制條件，“換句話(huà)說(shuō)，任何一個(gè)限制條件的破壞，都可能導(dǎo)致這一結(jié)論的不成立。”
人類(lèi)距離找到原初黑洞還有多遠(yuǎn)
雖然最新研究對(duì)于原初黑洞是暗物質(zhì)的可能性，給出了不那么樂(lè)觀的結(jié)論，但其并沒(méi)有完全否定恒星級(jí)質(zhì)量的原初黑洞作為暗物質(zhì)候選者之一的可能性。馬瀟漢介紹，在原初黑洞的研究領(lǐng)域中，有這樣一張圖表，縱軸是原初黑洞可能占暗物質(zhì)的比例，橫軸是原初黑洞的質(zhì)量。雖然目前已經(jīng)有一些質(zhì)量范圍內(nèi)的原初黑洞不能構(gòu)成暗物質(zhì)，但仍還有一些質(zhì)量范圍內(nèi)的原初黑洞有可能是構(gòu)成暗物質(zhì)的重要部分。
“一個(gè)科學(xué)理論是不能夠被完全證實(shí)的，我們只能夠證偽。”蔡一夫認(rèn)為，即使我們確實(shí)找到了質(zhì)量很小的黑洞，比如小于兩倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，那也只能說(shuō)明在現(xiàn)有的理論框架下我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不是由于恒星死亡而產(chǎn)生的黑洞。雖然它非常有可能就是原初黑洞，但這距離能夠完全證實(shí)原初黑洞理論還有一定的距離。
當(dāng)然，如果未來(lái)我們擁有更強(qiáng)大的觀測(cè)能力，能夠在極早的宇宙中發(fā)現(xiàn)輻射物質(zhì)直接坍縮形成黑洞的跡象，那么或許我們便可以聲稱(chēng)我們真正看到了原初黑洞的誕生?？梢源_定的是，未來(lái)借助激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）和我國(guó)“天琴”等引力波觀測(cè)項(xiàng)目，以及引力透鏡、伽馬射線(xiàn)、X射線(xiàn)、紫外線(xiàn)、射電等觀測(cè)手段，我們有望豐富人類(lèi)對(duì)“黑洞動(dòng)物園”的了解，能夠看到那些正在“進(jìn)食”或是“沉睡”的黑洞，這些都將幫助我們了解黑洞的形成和演化，也將幫助我們深刻理解暗物質(zhì)和黑洞之間的聯(lián)系。
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