宇宙诞生之初的黑洞在哪里?-资讯-知识分子

宇宙诞生之初的黑洞在哪里?

2018/09/04
导读
跟随上海天文台一起去探寻原初黑洞~物理学家认为在137亿年前宇宙诞生之初可以产生黑洞,这种黑洞就叫做原初黑洞(primordial black holes)。

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中心蓝色恒星聚集的区域为极暗矮星系Eridanus II,图片来自V.Belokurov & S. Koposov


撰文 | 闫震

一、原初黑洞是什么?



物理学家认为在宇宙诞生之初可以产生黑洞,这种黑洞就叫做原初黑洞(primordial black holes)。


137亿年前,一次大爆炸造就了我们的宇宙。大爆炸之后,空间中存在密度扰动,在一些致密区域,会由于引力塌缩而产生原初黑洞。


1966年, Zel'dovich 和 Novikov这两位两位天文学家最早提出可能存在原初黑洞。1971年,在仔细计算了这种黑洞的性质之后,霍金发现原初黑洞的初始质量可能在0.01毫克到几千倍太阳质量之间。


二、那原初黑洞是否真的存在呢?


天文学家设计了很多观测用来寻找原初黑洞。但是迄今为止,并没有直接证据表明到原初黑洞的存在。

理论上预计质量小的原初黑洞会由于霍金辐射而蒸发,在最后一刻会产生伽马射线辐射。NASA的Fermi卫星有可能探测到地球附近的原初黑洞产生的这种伽马射线辐射。加州大学Santa Cruz分校的研究生Johnson在今年初的一篇论文中利用自己编写的算法在Fermi数据中寻找原初黑洞的信号,但是没有找到,不过他们的结果对地球附近的原初黑洞的数量给出了限制。


三、原初黑洞的间接证据



没有直接证据,但也还是有一些间接的观测证据支持原初黑洞的存在。


斑块的比对带来了新观点


2005年,天文学家Kashlinsky利用Spitzer空间红外卫星发现,宇宙的红外背景辐射中存在大量的不规则的斑块状结构,而且随着数据的积累这些奇怪的结构越来越明显,这些结构被认为是第一代恒星产生的辐射,经过红移之后来到了红外波段。


在2013年,他们将Chandra空间X射线卫星获得的宇宙X射线背景辐射与相同天区的红外背景辐射进行比较(见下图),惊奇的发现这些斑块状结构和X射线背景辐射中的亮斑几乎一一对应,这就表明亮斑处的红外和X射线辐射来自宇宙中的同一区域,他们认为这些X射线辐射来自于原初黑洞的吸积,而且这些原初黑洞构成了暗物质晕。


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上图是红外背景辐射,下图是X射线背景辐射。可以对比红外图中的斑块和X射线图中的亮斑。  

图片来源:NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (Goddard)


暗物质是什么,科学家们并不清楚。但暗物质有多重要,以及暗物质在星系中的分布,我们还是了解一些的。


在宇宙大爆炸之后的5亿年间,物质还太热无法塌缩成为恒星,而只靠引力相互作用的暗物质不受极高温度的影响,因此能最先塌缩成团块,也就是暗物质晕。暗物质晕为物质的集聚提供了原初的引力势种子,随后物质开始逐渐被吸引过来,当物质密度足够大时将会塌缩成第一代恒星,形成星系。


其中的一种猜想认为暗物质晕是由原初黑洞组成的。依据Kashlinsky等人的观点,当气体落向由原初黑洞组成的暗物质晕时,会被黑洞吸积,产生X射线辐射,因而第一代恒星产生的红外斑块和原初黑洞产生的X射线斑块才会在空间上一一对应。


微引力透镜来支招


还有一种寻找原初黑洞的办法是微引力透镜。


当一个原初黑洞经过我们视线方向上的一颗恒星时,这颗恒星会因为微引力透镜效应而变亮,天文学家们通过巡天观测利用这种方法寻找我们银河系晕中的原初黑洞,进而可以确定原初黑洞能贡献多少比例的暗物质。这一类的巡天观测包括EROS,MACHO。通过微引力透镜的巡天观测认为小于15倍太阳质量的原初黑洞是不可能作为暗物质晕的主要成分。


微波背景辐射提供限制


此外,原初黑洞在早期宇宙时期的吸积,也会对微波背景辐射的各向异性分布产生影响。利用Planck卫星对微波背景辐射的观测结果,Ali-Haïmoud在2017年的研究工作中认为大于100倍太阳质量的原初黑洞不可能是构成暗物质晕的主要成分。但是从微波背景辐射的观测得到的对于几十倍太阳质量的原初黑洞能否作为暗物质晕的主要成分的结论还存在争议。


引力波事件GW150914中的黑洞是原初黑洞吗?


2015年9月14日,人们利用LIGO第一次探测到了引力波,这次引力波事件是由两个质量为36倍和29倍太阳质量的黑洞并合产生的,这对于物理学和天文学都是一个里程碑式的事件,引力波的探测还获得了2017年的诺贝尔物理学奖。


但是这两个黑洞和我们在银河系以及其他星系中观测到的恒星级质量黑洞都不一样,我们已知的此类黑洞的质量大都在5至15倍的太阳质量之间,还从来没有观测过到如此大质量的恒星级质量黑洞。这两个黑洞的起源引起了天文学家的兴趣,尤其是在致密星演化领域,多个研究工作相继出现。但是另一些天文学家随即认为LIGO探测到的这次事件可能就是两个原初黑洞的并合。


2016年天文学家Simeon Bird在估计了两个30倍太阳质量左右的原初黑洞并合的概率大致符合根据LIGO观测所估计的概率。而Kashlinsky也在2016年的一篇论文中计算了这个质量的原初黑洞组成的暗物质晕能够解释所观测到的红外和X射线背景的斑块。


虽然由原初黑洞组成的暗物质晕能够解释诸多的现象,但是还是没有任何观测可以支持或者检验这一理论。

极暗矮星系被认为是检验暗物质理论绝佳的观测对象,在这类星系中,由物质组成的恒星的总光度非常低,暗物质占星系总质量的比例非常高。


得益于几个光学巡天观测,最近几年越来越多的极暗矮星系被发现。这些极暗矮星系的暗物质晕是否可以由原初黑洞组成,还存在很大的争议。


一些利用极暗矮星系的观测数据进行的计算并不支持这些星系的暗物质晕是由几十倍太阳质量的原初黑洞组成的,比如普林斯顿大学大学的天体物理学家Timothy Brandt对极暗矮星系Eridanus II以及其它几个极暗矮星系的计算。

在最近的一项研究工作中,哈佛大学史密松天体物理中心的Qirong Zhu和他的合作者改进了计算方法,并且利用数值模拟发现极暗矮星系的暗物质晕可以由原初黑洞组成,但是计算得到的黑洞质量在2倍至14倍太阳质量之间。

论文的作者最后也强调他们的模型目前还有很大的不确定性,还无法得出确定的结论。


四、一个未解之谜


星系的暗物质晕是否由原初黑洞组成的呢?希望未来观测数据和理论计算能对这一问题给出确定的答案。比如对极暗矮星系更多的观测,探测到更多的引力波事件等等。


本文转载来源:公众号"天之文"

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