上期我們說到克萊斯和加西亞·貝利多提出了一個猜想,那就是在大爆炸后 50 萬年內(nèi),宇宙中會產(chǎn)生一群一群的大質(zhì)量黑洞。并且這個理論預言:我們可以利用極為靈敏的引力波探測器,例如美國的 LIGO引力波探測器,探測到兩個黑洞合并而產(chǎn)生的引力波。 他們是 2015 年 1 月份預言了 LIGO 可能探測到這種大質(zhì)量黑洞并合發(fā)出的引力波,結果到了 2015 年的 9 月 14 日,LIGO 果然探測到了兩個太陽質(zhì)量 30 倍左右的黑洞合并而發(fā)出的引力波,經(jīng)過非常慎重仔細的反復確認,LIGO 和 VIRGO 團隊共同宣布,人類首次探測到了來自宇宙中的真實引力波,并且與廣義相對論的計算值吻合的非常完美。倆位作者對原初黑洞群內(nèi)合并率的估計也與 LIGO 定出的極限完美符合。 他們的這種假想有一個關鍵優(yōu)勢,就是能夠解釋之前微引力透鏡巡天觀測的一個結果,也就是質(zhì)量大約為 10 倍太陽質(zhì)量的黑洞不可能是暗物質(zhì)的主要成分。如果原初黑洞存在,并且質(zhì)量范圍較寬的話,那么可能只有一小部分黑洞對微引力透鏡實驗是可見的,大多數(shù)是沒辦法用這種手段探測到的。更重要的是,按照他們的猜想,原初黑洞是聚集成群的,那么微引力透鏡巡天監(jiān)測的那些近鄰衛(wèi)星星系中,正好在恒星視線方向上遇到一個黑洞的概率要小于千分之一。 所以,研究者可以在天空中的其他位置搜尋微引力透鏡事件,尋找其他天體亮度升高的現(xiàn)象,例如銀河系鄰居仙女星系中的恒星,甚至更遙遠星系中的類星體。通過這種方法,可以在銀暈中更大的范圍內(nèi)探測暗天體,也就是原初黑洞的信號。 總之,我們目前的所有觀測結果,都還不能排除暗物質(zhì)大部分由原初黑洞組成的可能性。事實上,他們提出的這個圖景還可以解釋其他一些與暗物質(zhì)及星系形成相關聯(lián)的宇宙之謎。 原初黑洞群可以解決另外一個天文學界的難題,這就是衛(wèi)星星系缺失問題。這類“矮”衛(wèi)星星系應該在我們銀河系這樣的大質(zhì)量星系周圍形成,但看起來卻意外地少。我們現(xiàn)在對宇宙暗物質(zhì)分布的模擬,與我們當前觀測到的宇宙大尺度結構符合的非常好,這種大尺度結構是什么樣子的呢,你們會看到我們的宇宙在大尺度下面,就好像一張漁網(wǎng)一樣,是由巨型絲狀結構和片狀結構交織起來的一張網(wǎng)。 然而,在較小尺度上,這些模擬預言大質(zhì)量星系周圍有大量的暗物質(zhì)子暈。每一個這種暗物質(zhì)子暈都應該含有一個矮星系,所以,我們的銀河系周圍應該會有數(shù)百個矮星系。然而天文學家發(fā)現(xiàn)的矮星系卻遠少于模擬的結果。 衛(wèi)星星系缺失問題有很多種可能的解釋,主要的思路是,模擬不能完全體現(xiàn)普通物質(zhì)(恒星中的氫和氦)對矮星系的形成和行為的影響。克萊斯和貝利多的圖景提出,如果聚集成團的原初黑洞構成了大部分暗物質(zhì),那么它們也是銀河系周圍的暗物質(zhì)子暈的主要成分。黑洞會吸收一部分普通物質(zhì),降低了子暈中的恒星形成率。 此外,即使這些暗物質(zhì)子暈中能形成大量恒星,這些恒星也很容易因為與大質(zhì)量原初黑洞靠的太近而被彈出去。兩個效應可以極大地降低衛(wèi)星星系的亮度,如果不使用高靈敏的寬視場相機是難以探測到它們的。幸運的是,現(xiàn)在已經(jīng)有這種相機了,天文學家已經(jīng)用它們在銀河系周圍發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個極暗的矮星系。這些天體中含有的暗物質(zhì)是發(fā)光恒星質(zhì)量的數(shù)百倍,而他們的模型則預言,銀河系周圍應該還有數(shù)千個這樣的矮星系。 對暗物質(zhì)的模擬還顯示出,在銀河系附近還應該有一類介于矮星系和大質(zhì)量星系之間的星系。這些星系按理說應當能穩(wěn)定地形成恒星并且容易被觀測到。不過,天文學家搜索銀河系附近時,并沒有發(fā)現(xiàn)這類星系。這個矛盾被形象地稱為“too big to fail”也就是“大到不能忽視”的意思,在作者看來,這個問題有一個和衛(wèi)星星系缺失問題差不多的答案:對于中等大小的星系,其星系核中的大質(zhì)量原初黑洞可以將恒星和形成恒星的氣體從星系中彈出,導致大部分巡天都觀測不到它們。 原初黑洞也可以解決超大質(zhì)量黑洞的起源問題。這些怪獸的質(zhì)量相當于數(shù)百萬到數(shù)十億個太陽質(zhì)量,天文學家在宇宙早期的類星體和大質(zhì)量星系的中心觀測到了它們。并且,現(xiàn)在的觀測表明,幾乎每一個大的漩渦星系和棒旋星系的中心都有一個超大質(zhì)量的黑洞。然而,如果這些超大質(zhì)量黑洞是由宇宙第一代恒星塌縮而形成和長大的,那么它們應該不會在這樣一個相對較短的時間——大爆炸后不到 10 億年內(nèi)獲得如此龐大的質(zhì)量。 在作者提出的圖景中,盡管大部分原初黑洞只有數(shù)十倍太陽質(zhì)量,但也有非常少的一些會重得多,達到數(shù)百太陽質(zhì)量到數(shù)萬太陽質(zhì)量。這些誕生于大爆炸后不到 1 秒的巨型天體可能就是形成第一代星系和類星體的巨型種子,這樣的話,星系和類星體的中心就可以快速形成超大質(zhì)量黑洞。這些種子也可以解釋我們在超大質(zhì)量黑洞周圍以及球狀星團中心觀測到的那些 1000 倍太陽質(zhì)量到百萬倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞。 換句話說,原初黑洞可能是傳統(tǒng)恒星質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間缺失的一環(huán)。支持這個圖景的觀測證據(jù)正在快速增加,最近,有研究者在早期宇宙中探測到了異常豐富的 X 射線源。對這個觀測結果,最簡單的解釋就是,大爆炸后不到十億年時,數(shù)量眾多的原初黑洞在大量吞噬氣體時發(fā)出了 X 射線。 盡管大質(zhì)量原初黑洞聽上去可以解決暗物質(zhì)之謎和許多其他由來已久的宇宙學問題,但目前這依然只是一個猜想。其他模型和解釋仍然有可能是正確的,未來的觀測結果決定了這些不同模型哪些可以留下來。實際上,在未來幾年,一些觀測可以幫助我們檢驗原初黑洞圖景。例如,
除了這些實驗,我們現(xiàn)在還有一個全新的工具可用來揭開宇宙之謎,即升級后的 LIGO 和其他引力波探測器。如果 LIGO 探測到的真是大質(zhì)量原初黑洞的合并,那么我們有理由認為,未來幾年它還能探測到更多此類事件。2016 年 6 月,升級版 LIGO 宣布第二次探測到兩個黑洞合并發(fā)出的引力波,兩個黑洞分別是 14 倍和 8 倍太陽質(zhì)量,同時他們還報告發(fā)現(xiàn)了另一次 23 倍太陽質(zhì)量和 13 倍太陽質(zhì)量黑洞合并事件的可能線索。截止到目前,LIGO團隊宣稱又探測到了另外 6 個可能的合并事件,正在進一步的確認中。這些探測結果都表明,雙黑洞比預期的更多,它們的質(zhì)量分布也很寬,與作者提出的大質(zhì)量原初黑洞的圖景相符。 對科學研究來說,尤其是對天文學和宇宙學來說,最重要的還是觀測證據(jù),理論再完美,沒有觀測證據(jù)的支撐,那也都是 NOTHING,看上去作者提出的暗物質(zhì)是原初黑洞的理論已經(jīng)得到了不少證據(jù)的支持,但還遠遠不夠。還需要更多的觀測證據(jù)。作者在文末又提出了以下一些觀測能夠檢驗他們的理論。我們一個一個來看一下。
以上這五點就是文章作者提出驗證方式,判斷一個理論是科學還是偽科學,有一個重要的特征就是看這個理論是否能夠提出可供檢驗的預言,這也被稱為可證偽性,可證偽性就是可檢驗性。關于暗物質(zhì),有些人認為暗物質(zhì)可能跟當年的以太一樣,科學家們原本都堅信以太的存在,可后來發(fā)現(xiàn)以太是不存在的。 但是,暗物質(zhì)和以太有著根本的不同。首先,當年的以太只存在于科學家們的理論當中,并沒有任何實驗可以證明以太的存在。而暗物質(zhì)則不同,我們的天文學觀測證據(jù)明確觀測到了暗物質(zhì)產(chǎn)生的引力效應,這是實實在在的證據(jù),并不是純理論的假想。 關于暗物質(zhì),最嚴重的誤導就是百度百科上的詞條。在百度百科上,把暗物質(zhì)定義為:一種因存在現(xiàn)有理論無法解釋的現(xiàn)象而假想出來的物質(zhì)。這個定義是非常嚴重的誤導。如果放到二十年前,這樣的定義還說的過去??墒欠诺浇裉?,已經(jīng)嚴重過時了。 關于暗物質(zhì)的定義,目前主流科學界比較認可的定義是:有質(zhì)量,但不與電磁波發(fā)生相互作用的物質(zhì)。維基百科和歐洲核子中心(CERN)的官網(wǎng)上關于暗物質(zhì)的詞條都是這樣的定義。這才是比較準確的定義。 對于暗物質(zhì)是否存在,這在當今的主流科學界是沒有爭議的。當然,任何前沿的科學領域都不可能是完全一致的聲音,總有一些代表少數(shù)派的科學家提出一些不同的觀點,這都很正常。但作為科普來說,首要傳播的不是非主流的觀點,而是傳播主流觀點。 還有一點請大家注意,像我這樣的科普作家并不是科學家,我并沒有能力做科學結論的是非判斷,我只是幫大家從浩瀚的科學海洋中甄別出哪些是主流,哪些是支流,并且如實客觀地告訴大家,這就是我認為一個職業(yè)科普人的操守,也是我對各位的價值所在。 全文完 |
|