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人类终于能够测试霍金关于暗物质起源的理论

2022-01-08 01:30:18 cnBeta.COM
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这份研究报告的共同作者、耶鲁大学的天体物理学家普里亚姆瓦达-纳塔拉詹(Priyamvada Natarajan)在一份声明中说:"我个人认为这个想法超级令人兴奋的是,它优雅地将我所从事的两个真正具有挑战性的问题,即探测暗物质的性质和黑洞形成与增长统一起来,并一举解决了它们。更重要的是,一些新的仪器,包括刚刚发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜,可以产生最终评估霍金这个著名概念所需的数据。


暗物质占宇宙中所有物质的80%以上,但它不会以任何方式与光直接互动。 它只是漂浮在巨大的周围,影响星系内的重力。它很容易让人想到黑洞可能是生产这种难以捉摸东西的原因。毕竟,黑洞是出了名的黑暗,所以用黑洞填满一个星系,在理论上可以解释所有对暗物质的观察。不幸的是,在现代宇宙中,黑洞只有在大质量恒星死亡后才会形成,然后在其自身引力的作用下坍塌。所以制造黑洞需要许多恒星,这需要一堆正常物质。科学家们通过对早期宇宙的计算,知道宇宙中有多少正常物质,在那里形成了第一批氢和氦。而且,根本没有足够的正常物质来制造天文学家观察到的所有暗物质。

霍金在1971年提出,黑洞是在大爆炸最初的混乱环境中形成的。在那里,小块的物质可以自发地达到制造黑洞所需的密度,在第一颗恒星闪烁之前就已经充斥着宇宙。霍金提出,这些"原始"黑洞可能是暗物质的来源。虽然这个想法很有趣,但大多数天体物理学家却专注于寻找一种新的亚原子粒子来解释暗物质。更重要的是,原始黑洞形成的模型遇到了观测上的问题。如果在早期宇宙中形成了太多的黑洞,它们就会改变早期宇宙剩余辐射的图景,也就是所谓的宇宙微波背景(CMB)。这意味着该理论只有在古代黑洞的数量和大小相当有限的情况下才有效,否则它将与CMB的测量结果相冲突。.

2015年,当激光干涉仪引力波天文台发现第一对碰撞的黑洞时,这个想法又被重新提起。这两个黑洞比预期的要大得多,解释其大质量的一种方法是说它们形成于早期宇宙,而不是在垂死的恒星的心中。在最新的研究中,Natarajan、迈阿密大学的Nico Cappelluti和欧洲航天局的Günther Hasinger深入研究了原始黑洞的理论,探索它们如何解释暗物质并可能解决其他宇宙学挑战。为了通过目前的观测测试,原始黑洞必须在一定的质量范围内。在新的工作中,研究人员假设原始黑洞的质量大约是太阳质量的1.4倍。他们构建了一个宇宙模型,用这些相当轻的黑洞取代所有的暗物质,然后他们寻找可以验证(或排除)该模型的观测线索。

研究小组发现,原始黑洞可能在宇宙中发挥了重要作用,它为第一批恒星、第一批星系和第一批超大质量黑洞(SMBHs)提供了种子。观测结果表明,恒星、星系和SMBHs在宇宙学历史中出现得非常快,也许快得无法用我们在当今宇宙中观察到的形成和增长过程来解释。如果原始黑洞真的存在,它们很可能是所有超大质量黑洞形成的种子,包括位于银河系中心的那个。

而且这个理论很简单,不需要用新粒子的动物园来解释暗物质。这项研究表明,在不引入新粒子或新物理学的情况下,就可以解决现代宇宙学中从暗物质本身的性质到超大质量黑洞的起源等谜团。到目前为止,这个想法只是一个模型,但它是一个可以相对较快地被测试的模型。詹姆斯-韦伯太空望远镜在推迟多年后于圣诞节发射,专门用来回答有关恒星和星系起源的问题。下一代引力波探测器,特别是激光干涉仪空间天线(LISA),准备揭示更多关于黑洞的信息,包括原始黑洞。 这两个太空天文台加在一起,应该给天文学家提供足够的信息来拼凑第一批恒星的故事,并可能发现暗物质的起源。

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