以“野性的思維”構想暗物質黑洞

    LIGO的合作團隊在“荒野狩獵”中能否捕暗物質黑洞?黑洞能否由暗物質構成?暗物質也許構成了宇宙“超級霸主”的黑洞,引力波探測幫助人們尋找這一問題的答案。激光干涉儀引力波觀測臺(LIGO)的科學家不久前宣佈了引力波的發現,引力波輻射源來自於13億光年遠的地方,兩個黑洞發生了碰撞與合併。引力波的發現證實了愛因斯坦的新引力理論,達到了諾貝爾獎的成果水準,但愛因斯坦早已離開了人間,他的新引力理論與物理諾獎無緣,但實現他的遺願或引力波發現的成果很有可能問鼎物理諾獎。有一個科學團隊最近指出,產生引力波輻射的黑洞可能是在早期宇宙中第一批形成的天體。

    原初黑洞在宇宙大爆炸之後不久形成,最原初的引力波輻射穿越了“原始火球”,而“小小寰球”的原初宇宙由等離子體構成了沸騰的熱球,在熱球的一些區域,聽起來像聲波的引力波更加密集,在物質和能量的密集區域可能發生引力塌縮,從中產生宇宙的原初黑洞。假如原初黑洞的形成理論是正確的,那麼它們的形成時間比星系和恆星還要早。如果原初黑洞演變到今天,以足夠的數量活躍在今日宇宙的大舞臺,那麼它們可能是暗物質的來源。迄今人們不知道暗物質的來源和性質,通過天文觀測和數學物理模型的計算得出結論:“神通廣大”、“神秘莫測”的暗物質佔到宇宙物質總量的85%,人類、地球和太陽系、銀河系和河外星系只是暗物質宇宙舞臺的“演員”和“道具”。人們沒有捕獲暗物質的任何信息,只有通過引力的作用推斷它們的存在,宇宙中的暗物質數量驚人,相當於可見物質的5到6倍。人們迄今沒有發現暗物質存在的任何直接、有力證據,一些物理學家據此認為,在引力波的發現之後,下一個重大科學的發現目標就是暗物質。


    約翰·霍普金斯大學的西米恩·伯德指出,LIGO合作團隊也許捕捉到一對宇宙的原初黑洞,“雙胞胎”黑洞可能不符合現有天體物理學的定義,當大質量恆星在生命週期的最後階段發生引力塌縮時,最終形成天體物理定義的黑洞。第一個依據與雙黑洞的質量有關,每個黑洞的質量大約為太陽的30倍。從理論推測上可以得知,宇宙的原初黑洞形成於大量物質材料的堆積,但以前的觀測成果排除了某種高於或低於特定臨界質量天體的可能。西米恩·伯德認為,實際上可以開啟一扇窗口,特定質量的原初黑洞可能存在,通過對LIGO收集數據的直接分析,可能發現原初黑洞的形成和演變。

    接下來的推斷令人驚奇,伯德團隊猜想,所有的暗物質都形成於原初黑洞,他們用計算機測算出這些物體在怎樣的頻次上可能形成雙星系,雙黑洞由於引力輻射能量的喪失而發生相互的碰撞與合併。他們的計算結果顯示,每年在銀河系發生這類雙星系碰撞與合併事件的最終數量相當少,計算結果與LIGO合作團隊迄今實際探測的發生率非常吻合,濱州大學的天文學家皮特·梅薩羅斯解釋說,這是一種可能的推斷,否定這一推斷的證據尚未出現,未來的探測結果可以獲得確定的答案。

    LIGO探測器的“繼任者”——愛因斯坦望遠鏡能捕獲兩個黑洞正面碰撞事件的信號,在黑洞的引力輻射過程中,兩個黑洞在繞轉中靠得越來越近,直到發生雙黑洞的合併事件。天體物理學定義的黑洞有一個圓形的軌道,而原初黑洞有一個橢圓形的軌道。不同形狀的軌道給出了辨識的標準,以此將天體學定義的黑洞和宇宙原初黑洞區分開來,當兩種類型的黑洞在合併事件中輻射的引力波抵達地球時,科學家區分了兩種雙黑洞類型的引力波源。伯德解釋說,如果觀測結果證明了黑洞的合併者是天體物理學定義的類型,或證明了它們是在宇宙原初時期形成的黑洞,不用感到特別的驚奇,目前,似乎沒有一種解釋適用於兩種類型的黑洞。伯德團隊撰寫了科學文章“LIGO探測到了暗物質嗎?”文章發表在新一期的《新科學家》雜誌上。

    引力波探測是不是揭示暗物質的有效手段,LIGO團隊的科學家沒有給出肯定的回答。在LIGO合作團隊的引力波和雙黑洞合併事件的發現中,他們沒有說明雙黑洞系的兩個黑洞究竟是通過死亡恆星形成的,還是在宇宙誕生時期形成的。霍普金斯大學的伯德團隊提出了兩個判定:第一,LIGO合作團隊發現的雙黑洞在宇宙暴漲期形成;第二,黑洞由暗物質構成。兩個判定都只是猜想,問題是如何證明他們的猜想。人們對暗物質的性質知之甚少,暗物質粒子可能存在相互作用,但暗物質和可見物質粒子幾乎不產生任何的相互作用,這是對暗物質探測十分困難的主要原因。天文學家和物理學家以前設想了暗物質星系和暗物質黑洞,但缺少天文觀測的依據,是否存在暗恆星、暗行星之類的“暗天體”?


    可見物質構成了黑洞,隨著黑洞天文觀測事件的增多,人們確信了可見物質構成黑洞的事實,但人們還不能接受暗物質構成黑洞的推測。可能有、也可能沒有暗物質黑洞,暗物質形成的黑洞只是一種推測。可見物質形成的黑洞已有觀測依據。科學家既沒有證實宇宙原初物質在“大擠壓”中產生了原初黑洞,也沒有證實原初暗物質在塌縮中形成了原初暗黑洞。可以確定的是大質量恆星在生命週期的最後階段通過劇烈爆炸形成了黑洞。黑洞吸收周圍的可見物質。黑洞是否吸收周圍的暗物質?如果某位天文學家和物理學家證明了暗物質在相互作用中形成了“暗黑洞”,證明了黑洞吸收了周圍的暗物質,那麼這將是物理諾獎的科學成果。

    通過暗物質粒子尋找暗物質,這是搜索暗物質的主要方法,通過暗物質黑洞尋找暗物質,還不是搜索暗物質的方法。伯德團隊可以和LIGO國際團隊進行交流和合作,以尋找暗物質構成黑洞的證據。人們看不見黑洞,這不能證明黑洞由暗物質構成,只能證明光線也無法逃脫黑洞引力的吸引。中國發射了一顆暗物質探測衛星,中國科學家開展了地下暗物質粒子探測實驗,在空間領域探測暗物質粒子,一系列的探測數據會陸續發佈。缺失了地面引力波的探測活動,中國科學家卻在空間暗物質探測領域走在了世界前列。






(編譯:2016-3-24)


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