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2016年05月26日 星期四 13:26 PM

暗物質可能是黑洞?所有星系或鑲嵌在巨大黑洞球體中
暗物質可能是黑洞?所有星系或鑲嵌在巨大黑洞球體中

美國宇航局斯皮策空間望遠鏡拍攝的大熊座天區紅外波段圖像。最近,有科學家認為暗物質有可能是由宇宙早期的黑洞組成的,這一理論似乎與紅外波段以及X射線波段的宇宙學觀測結果相吻合,並且能夠解釋黑洞合併時的一系列現象

在屏蔽所有已知的恆星,星系以及其他任何已知物質之後,對圖像進行增強,我們便看到了一些不規則的斑塊。這就是所謂宇宙紅外背景(CIB),其中顏色較淺的區域代表更為明亮的區域

在屏蔽所有已知的恆星,星系以及其他任何已知物質之後,對圖像進行增強,我們便看到了一些不規則的斑塊。這就是所謂宇宙紅外背景(CIB),其中顏色較淺的區域代表更為明亮的區域

綜合起來考慮,最初一批恆星產生的紅外波段輻射以及物質朝着黑洞下降過程中產生的X射線輻射將能夠解釋錢德拉與斯皮策空間望遠鏡所觀測到的CIB以及CXB斑塊不均一信號

綜合起來考慮,最初一批恆星產生的紅外波段輻射以及物質朝着黑洞下降過程中產生的X射線輻射將能夠解釋錢德拉與斯皮策空間望遠鏡所觀測到的CIB以及CXB斑塊不均一信號

新浪科技訊 北京時間5月26日消息,據英國《每日郵報》報道,暗物質是構成宇宙很大一部分的神秘物質成分。儘管知之甚少,但科學家們目前傾向於認為它是一種大質量的奇異粒子組成的物質,但關於這一點,我們還沒有任何確鑿的證據能夠予以證明。

還有另外一種觀點,認為暗物質實際上是在宇宙誕生初期就產生的黑洞組成的,也就是所謂的原初黑洞。而現在,美國宇航局的科學家們開展的一項研究表明,后一種觀點似乎與紅外波段以及X射線波段的宇宙學觀測結果相吻合,並且能夠解釋黑洞合併時的一系列現象。

美國宇航局戈達德空間飛行中心的天體物理學家亞歷山大·卡林斯基(Alexander Kashlinsky)表示:“這項研究的主要目的是將目前存在的各類觀點和實際觀測數據相互驗證,看看兩者之間是否吻合。結果我們發現這一理論與觀測的吻合度驚人的好。”他說:“如果這一理論最終被證明是正確的,那麼所有的星系,包括銀河系在內,實際上可能都是鑲嵌在一個巨大的黑洞球體包圍之中,每一個黑洞的質量都相當於大約30倍太陽質量左右。”

在2005年,卡林斯基率領一個天文學家小組,利用美國宇航局的斯皮策空間望遠鏡對一個天區的紅外波段背景進行了觀測。他們報告稱在這一紅外背景中觀測到一些亮度異常的斑塊,他們認為這有可能是130億年前宇宙誕生初期最早的一批恆星發出的光芒。後續觀測確認,在天空的其他區域同樣能夠觀測到“宇宙紅外背景”(CIB)中類似的隱藏結構。

大約8年後,另一項研究致力於對美國宇航局錢德拉X射線望遠鏡的所謂“宇宙X射線背景”(CXB)數據進行分析,並將這一結果與同一天區的CIB紅外波段數據進行對比。

研究組發現最初一批恆星發出的主要是可見光和紫外光,由於宇宙膨脹,這些光線的波長被拉長,從而變成了紅外光,因此應該不會在X射線波段背景中產生重要的影響。

然而,低能X射線波段中顯示的異常斑塊特徵與紅外波段背景中顯示的斑塊特徵幾乎完全相同,而唯一在能級跨度上能夠涵蓋整個波長範圍的已知天體就只有黑洞。

因此,研究組得到結論認為,早期宇宙中應當存在着大量原初黑洞,它們貢獻了宇宙紅外背景中至少1/5的紅外輻射源。

目前美國宇航局正在對這一問題進行研究,作為阿爾法磁譜儀(AMS)和費米伽馬射線空間望遠鏡的研究對象之一。

卡林斯基表示:“這些研究正在得到越來越高的靈敏度,逐漸縮小暗物質粒子參數的各項不確定性。”他說:“搜尋暗物質的不成功讓我們對暗物質的本質可能就是原初黑洞的猜想產生了愈發濃厚的興趣。”

物理學家們此前總結出了幾條理論,能夠解釋高溫且處於迅速膨脹狀態中的早期宇宙如何能夠 在宇宙大爆炸之後的數千分之一秒內產生原初黑洞。而相關理論也顯示,宇宙的年齡越老,那麼能夠形成的黑洞質量就能越大。但由於能夠產生這類黑洞的窗口期持 續時間非常短暫--只有大爆炸之後最初的一瞬間--遠遠不到一秒鐘的時間--因此科學家們認為原初黑洞的質量應該都差不多大,它們相互之間的質量差異會很 小。

去年9月14日,一對13億光年外的黑洞合併過程所產生的引力波信號被設在美國的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)觀測到。這一事件標誌着人類首次直接探測到引力波信號。

這一信號也讓LIGO的科學家們得以據此計算出這兩個黑洞中單個黑洞成員的質量--結果顯示分別為29倍和36倍太陽質量,誤差約為±4倍太陽質量。研究人員們認為這樣的黑洞質量實際上大的有些讓他們意外,並且兩者間的差值也出乎意料地小。卡林斯基表示:“取決於起作用的何種機制,原初黑洞的性質可以與LIGO所探測到的這兩個黑洞非常相似。”他說:“如果我們假定事實的確如此,也就是LIGO捕捉到了發生在早期宇宙中兩個黑洞的合併信號,那麼我們就可以觀察,這件事將會對我們有關宇宙最終如何演化的認識產生什麼樣的影響。”

在今年5月24日發表的一篇最新論文中,卡林斯基分析了如果假定暗物質的本質實際上就是類似LIGO所探測到的那類黑洞的話,事情將會如何發展。

黑洞的存在扭曲了早期宇宙中的質量分佈,這一結果產生的微小震蕩在數億年之後,當最初一批恆星開始形成時產生了顯著的影響。

在宇宙誕生之後的最初5億年內,所謂的“常規物質”的溫度仍然太高,因而難以聚集形成最早的恆星。

暗物質則不同,它們不會受到高溫的影響,因為它基本上只與引力發生作用,與其他因素之間幾乎不產生任何影響。於是,在相互間的引力作用下,暗物質最先開始聚集,並形成所謂的“超小暈”(minihaloes)結構。這種質量團塊提供了一種引力“種子”,讓後來的常規物質得以被吸引並附着其上--大量的高溫氣體開始在引力作用下向著這些超小暈結構聚集,隨着溫度的下降,這些逐漸聚攏的常規物質發生進一步凝聚和塌縮,第一批的恆星就此誕生了。

卡林斯基的工作表明,如果黑洞的確是組成暗物質的重要成分,那麼這一過程的發生將會迅速的多,並進而產生在斯皮策望遠鏡探測到的CIB數據中的那種斑塊不均一性特點,即便只有很小一部分的“超小暈”結構最終能夠產生恆星,情況也是一樣。

隨着空間中的氣體物質向“超小暈”聚集,組成這些“超小暈”的黑洞自然而然的將會吞噬掉其中的一部分氣體物質。

而物質朝着黑洞盤旋下降的過程將會產生加熱並釋放X射線。綜合起來考慮,最初一批恆星產生的紅外波段輻射以及物質朝着黑洞下降過程中產生的X射線輻射將能夠解釋錢德拉與斯皮策空間望遠鏡所觀測到的CIB以及CXB斑塊不均一信號。

偶然的,有些原初黑洞可能會相互運動到比較接近的位置上,從而互相吸引並成為一個相互繞轉的雙黑洞系統。這樣一個系統將會不斷釋放引力波信號,在此過程中丟失軌道動能並不斷相互接近,最終,兩者將會發生合併成為一個質量更大的黑洞,就像LIGO在去年所探測到的那樣。

卡林斯基表示:“未來LIGO的後續觀測工作將告訴我們更多有關宇宙中黑洞數量的信息。相信在不久之後,我們就將能夠了解到,關於黑洞與暗物質關係的理論是否是正確的。”(晨風)

此文章為轉載,不代表IBTimes中文網的立場和觀點。


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