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重大发现!原始黑洞或许真的存在,它们可能是构成暗物质的关键

2021-04-07 10:22 前瞻网   

 

重大发现!原始黑洞或许真的存在,它们可能是构成暗物质的关键

(图片来源:EHT Collaboration)

一项新的研究表明,暗物质——一种具有引力但不发光的神秘物质——可能真的由宇宙诞生之初形成的大量原始黑洞(primordial black holes)组成。

这一结论来自对引力波的分析,引力波或时空涟漪是由黑洞和中子星之间的两次远距离碰撞产生的。

标记为GW190425和GW190814的波纹是在2019年由华盛顿和路易斯安那州的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)以及意大利比萨附近的处女座干涉仪探测到的。此前的一项分析表明,这些涟漪是由质量为太阳1.7 - 2.6倍的黑洞与较小的中子星或更大的黑洞发生碰撞而产生的。

该研究的主要作者、加州大学洛杉矶分校的Volodymyr Takhistov表示:“与太阳质量相当的黑洞非常神秘,因为它们是传统天体物理学所不期待的,”比如恒星爆炸,或者超新星,它会将较大的恒星挤压成黑洞。

相反,作者在2月16日发表在《物理评论快报》杂志上的研究中提出,这些与太阳质量相当黑洞可能是大爆炸期间产生的“原始”黑洞。Takhistov说,或者它们可能是在中子星变成黑洞之后形成的——或者是在吞噬了原始的黑洞之后,或者是在吸收了某些被提出的暗物质之后,产生引力的神秘物质不会与光相互作用。

原始黑洞

原始黑洞,如果它们存在的话,很可能是在大约137.7亿年前宇宙大爆炸的第一秒中大量产生的。它们大小不一——最小的是极小的,最大的是太阳质量的几万倍。

计算表明,最小的黑洞现在已经“蒸发”了,通过一个被称为霍金辐射的过程发射量子粒子,所以只有质量大于10^11千克的原始黑洞——大约一颗小行星的质量——今天仍然存在。

一些天体物理学家认为,如果它们确实存在,这些古老的黑洞可以构成巨大的“暗物质”晕,这些“暗物质”环绕在星系边缘。

研究人员想知道他们是否能够区分原始黑洞和中子星形成的黑洞。中子星是恒星在核聚变反应中耗尽所有氢后爆炸后留下的闪烁的超新星残留物。

天体物理学家计算出,质量小于太阳5倍的恒星坍缩后会形成超密度物质的中子星,其质量与我们的太阳差不多,被压缩成一个城市大小的球体。

在这个理论中,一些中子星的强烈引力会持续吸引暗物质的粒子;新研究表明,最终它们的引力会变得如此之大,以至于中子星和暗物质会一起坍缩成一个黑洞。

该研究提出的另一种说法是,一颗中子星可能已经吸引并与一个小的原始黑洞合并,然后这个小黑洞就沉淀在中子星的重心,吞噬周围的物质,直到只剩下黑洞。

引力波

Takhistov和他的同事推断,由中子星演变而来的黑洞必须遵循它们起源的中子星的质量分布,这取决于它们母星的大小。

考虑到这一点,他们观察了迄今为止大约50个引力波探测的数据,发现只有两个——GW190425和GW190814——涉及质量合适的物体,足以成为原始黑洞,该研究的作者写道。

这项研究还没有结论性:这两次碰撞仍然有可能涉及到被探测到的质量相同的中子星,或者是由这种大小的中子星转变而来的黑洞。但是,理论上存在于宇宙中的中子星的质量分布使这种情况不太可能发生。

根据这项研究,如果是这样的话,这就暗示了原始黑洞可能真的存在,而且它们可能是暗物质的组成部分。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 4114RWL

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