美国宇航局天文学家揭示原始黑洞和黑暗物质之间的可能联系

点击次数:3   更新时间:2018-05-15   【关闭

em美国宇航局戈达德太空飞行中心最近发表的一项研究表明,原始黑洞与暗物质之间可能存在联系。 / em

暗物质是构成物质宇宙大部分的神秘物质,现在被广泛认为是某种形式的巨大的奇特粒子。一个有趣的替代观点是暗物质是由我们宇宙存在的第一秒期间形成的黑洞组成的,这些黑洞被称为原始黑洞。现在,美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的一名科学家表示,这种解释与我们对宇宙红外和X射线背景发光的认识是一致的,并可能解释去年出现的意想不到的大量合并黑洞。

“这项研究是为了汇集一系列广泛的想法和观察结果,以测试它们的适合程度,并且这种适合度出人意料的好,”NASA Goddard的天体物理学家Alexander Kashlinsky说。 “如果这是正确的,那么所有的星系,包括我们自己的星系,都嵌入一个大约30倍的太阳质量的黑洞中。”

2005年,卡什林斯基带领一队天文学家使用美国国家航空航天局的斯皮策太空望远镜探测天空中一部分红外光的背景光。研究人员报告说,光线过度斑驳,并得出结论认为,这可能是由于首批光源在130亿年前照亮宇宙所造成的。后续研究证实,这种宇宙红外背景(CIB)在天空的其他部分显示出类似的意想不到的结构。

em原始黑洞(如果存在的话)可能类似于2014年由LIGO团队检测到的合并黑洞。该计算机模拟以慢动作显示此合并将看起来如何近似。黑洞周围的环称为爱因斯坦环,它起源于直接位于孔后面的小区域中的所有恒星,这些小区的光由于引力透镜而变形。本视频并未显示LIGO检测到的引力波,尽管它们的效果可以在爱因斯坦环中看到。在黑洞后面传播的引力波扰乱了包含爱因斯坦环的恒星图像,导致它们在合并完成后很长一段时间内在环内晃动。在其他方向上传播的引力波在爱因斯坦环外的任何地方都会导致更弱,更短寿命的晃动。如果实时播放,电影将持续约三分之一秒。 / em

2013年,另一项研究比较了美国宇航局钱德拉X射线天文台在天空同一区域与宇宙X射线天文台(CIB)相比发现的宇宙X射线背景(CXB)。第一批恒星主要发射光和紫外光,如今由于空间的扩大而被延伸到红外线,因此它们不应该对CXB作出重大贡献。

然而,CXB中低能量X射线的不规则发光与CIB的斑片相当匹配。我们所知道的唯一一个能够在这个宽能量范围内发光的物体是黑洞。研究小组得出的结论是,原始黑洞在最早的恒星之中一定是很丰富的,至少约有五分之一来自CIB。

暗物质的性质仍然是天体物理学中最重要的未解决问题之一。科学家目前赞成将暗物质解释为异国情调的大质量粒子的理论模型,但到目前为止搜索未能证明这些假设粒子实际存在。 NASA目前正在研究这个问题,作为其Alpha光谱仪和费米伽马射线太空望远镜任务的一部分。

卡什林斯基说:“这些研究提供了越来越敏感的结果,慢慢地缩小了黑暗粒子可以隐藏的参数框。” “未能找到它们已经引起人们重新研究原始黑洞(宇宙第一秒钟内形成的黑洞)如何能够像暗物质一样工作。”

物理学家已经概述了几种方式,在宇宙大爆炸后的第一个千分之一秒内,热的,迅速膨胀的宇宙可能会产生原始的黑洞。当这些机制持续时间越长,黑洞越大。而且由于创建它们的窗口只持续了第一秒的很小一部分,科学家们期望原始黑洞会显示出很小范围的质量。

9月14日,华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)设施拍摄到一对距离13亿光年的合并黑洞产生的引力波。这一事件标志着有史以来第一次探测到引力波,并首次发现了黑洞。该信号为LIGO科学家提供了有关各个黑洞质量的信息,这些黑洞的质量是太阳质量的29和36倍,加上或减去约四个太阳质量。这些数值都出乎意料地大,并且令人惊讶地相似。

“根据工作原理,原始黑洞的特性可能与LIGO检测到的特性非常相似,”Kashlinsky解释说。 “如果我们假设情况是这样的话,那么LIGO就会陷入早期宇宙中形成的黑洞的合并,我们可以看看它对我们理解宇宙最终演变的后果。”

Kashlinsky在5月24日发表在“天体物理学杂志”上的新论文中分析了如果暗物质由类似于LIGO检测到的黑洞组成的黑洞所发生的情况。黑洞歪曲了早期宇宙中质量的分布,增加了一个小的波动,这在几亿年后,当第一批恒星开始形成时就会产生影响。

对于宇宙最初5亿年的大部分时间来说,正常情况仍然太热,无法融入第一批恒星。暗物质不受高温影响,因为无论其性质如何,它主要通过重力相互作用。通过相互吸引聚合,暗物质首先塌陷成为称为迷你卤虫的团块,这提供了能够使正常物质积聚的引力种子。热气体朝着迷你屋倒塌,导致气体密度足够大,以便自己进一步塌陷到第一颗恒星中。卡什林斯基表明,如果黑洞发挥暗物质的作用,即使只有一小部分小星球能够产生恒星,这个过程也会更快,更容易产生在斯皮策数据中检测到的CIB的块状结构。

随着宇宙气体落入微型天体,它们的组成黑洞也会自然地捕获一些黑洞。向黑洞坠落的物质变热并最终产生X射线。来自第一颗恒星的红外光和来自气体的X射线落入暗物质黑洞中可以说明CIB和CXB之间斑块的一致性。

有时候,一些原始的黑洞会通过足够近的距离被重力捕获到二进制系统中。这些双星中的每个黑洞都会经过远距离发射引力辐射,失去轨道能量并向内旋转,最终会像LIGO观察到的那样合并成一个更大的黑洞。

Kashlinsky说:“未来的LIGO观测运行将告诉我们更多关于宇宙的黑洞总数的信息,并且在我们知道我所概述的情况是被支持还是被排除之前不久,”Kashlinsky说。

卡什林斯基带领以Goddard为中心的科学小组参与欧洲航天局的欧几里德任务,该任务目前计划于2020年发射。这个名为LIBRAE的项目将使天文台能够高精度地探测CIB中的来源人群,并确定部分是由黑洞产生的。

PDF研究副本:LIGO引力波探测,原始黑洞和近红外宇宙红外背景各向异性

来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心弗朗西斯雷迪