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暗物質(zhì)是原初黑洞嗎?(下)

 三平齋 2019-11-18

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)。

暗物質(zhì)是原初黑洞嗎?(下)

暗物質(zhì)是原初黑洞嗎?(下)

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暗物質(zhì)是原初黑洞嗎?(下)

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,

  • 探測極暗矮星系

  • 探測大質(zhì)量原初黑洞對銀河系中恒星位置的影響

  • 繪制第一代恒星形成時期中性氫的分布圖,以及研究宇宙微波背景輻射中的扭曲。

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。

  • 第一,更多的引力波探測。升級版 LIGO(美國)和升級版 Virgo,這個引力波探測器是在意大利,以及其他正在建設中的更多引力波探測器,應該會探測到更多黑洞并合。如果探測到的大質(zhì)量黑洞并合事件多得超出預期,那就表明這類黑洞從起源上看可能是原初黑洞,但單憑這樣的觀測還不能證明原初黑洞構成了暗物質(zhì)。要證明后者,還必須把其他觀測結合起來。若能探測到質(zhì)量低于錢德拉塞卡極限,也就是 1.45 倍太陽質(zhì)量的黑洞,就能無可置疑地證實黑洞的原初起源。因為根據(jù)廣義相對論,質(zhì)量比這更小的恒星是不能自發(fā)塌縮形成黑洞的。幸運的是,LIGO 可能很快會達到探測這類黑洞的靈敏度。最終,在宇宙學尺度上,豐富的雙黑洞應該能產(chǎn)生一個彌散的引力波背景,等未來我們擁有了太空中的引力波天文臺,也就是 LISA,以及地面上的脈沖星計時陣,就能探測到如同宇宙微波背景輻射一樣的宇宙引力波背景。

  • 第二,2015 年,天文學家使用來自暗能量巡天項目的數(shù)據(jù)在銀暈中發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個極暗矮星系,這個發(fā)現(xiàn)表明,銀河系周圍可能有數(shù)百個這樣的暗物質(zhì)主導的矮星系。如果暗物質(zhì)由原初黑洞組成,那么它們中的大部分應該處于這些矮星系中,大量原初黑洞可以用未來的太空天文臺設備探測到,例如歐洲空間局的歐幾里得計劃和美國航空航天局的寬視場紅外巡天望遠鏡。

  • 第三,歐洲空間局正在進行的蓋亞(Gaia)項目正在以前所未有的精度測量銀河系中大約十億顆恒星的位置和速度。大質(zhì)量黑洞會導致附近恒星的運動出現(xiàn)微小變化,因此蓋亞的觀測可能揭示出大量孤立大質(zhì)量黑洞的存在。

  • 第四,在第一代恒星形成之前和形成過程中,宇宙大部分由不帶電的中性氫組成,它們會發(fā)出波長為 21 厘米的特征性射電輻射。最早到 2020 年,將成為有史以來最大的射電望遠鏡的平方公里陣(SKA)將開始對這個 21 厘米波長的信號進行全天成圖觀測。在原初黑洞吸引下,物質(zhì)加速下落,會產(chǎn)生強烈的 X 射線輻射,讓周圍的中性氫電離,在全天 21 厘米輻射圖中留下印記。故而 SKA 應該能探測到大質(zhì)量原初黑洞的存在,如果它們真的構成了暗物質(zhì)的話。

  • 第五,在宇宙早期,原初黑洞吞噬氣體和塵埃發(fā)出的 X 射線應該也會導致宇宙微波背景輻射譜的扭曲。不過,這個效應的重要性還有些爭議,特別是對于原初黑洞緊密成團的模型。然而,美國航空航天局已經(jīng)提出了原初暴脹探測器(PIXIE)計劃,目的是為了準確測量這種扭曲。這樣的觀測有望對原初黑洞暗物質(zhì)模型給出嚴格的邊界條件。

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

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