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另类综合,暗物质可能不难观察到,但是由大爆炸产生的原始黑洞

2020-10-23 04:59:15博名知识网
选自量子杂志作者:约书亚·索科尔(JoshuaSokol)机器心脏编译编辑:熊猫,张倩斯蒂芬·霍金(StephenHawking)有一个想法:看不见的“原始黑洞”可能是隐藏的暗物质。这个想法几十年来一直被忽略,但是一系列新的研究表明该理论可能是有效的。原始的黑洞可能堆积成堆,并以很远的距离散布在整个宇宙中。相对较大的黑洞被小得

  选自量子杂志

  作者:约书亚·索科尔(Joshua Sokol)

  机器心脏编译

  编辑:熊猫,张倩

  斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)有一个想法:看不见的“原始黑洞”可能是隐藏的暗物质。这个想法几十年来一直被忽略,但是一系列新的研究表明该理论可能是有效的。

  

  原始的黑洞可能堆积成堆,并以很远的距离散布在整个宇宙中。相对较大的黑洞被小得多的黑洞所围绕。

  黑洞就像鲨鱼。公众的想象力使他们过分优雅,朴素和恐怖,他们觉得自己可能潜伏在我们周围黑暗的地方。

  黑洞固有的暗属性使我们很难估计它们在宇宙中的数量和大小。因此,当激光干涉重力波天文台(LIGO)的探测器首次捕获2015年9月激增的引力波时,人类感到非常惊讶。在此之前,已知最大的黑洞的质量刚刚超过太阳质量的20倍。而且,每个新近观测到的黑洞的质量约为太阳的30倍-这虽然不超出想象,但这很奇怪。此外,当LIGO开始听到这些黑洞的融合时,天体物理学家意识到,在宇宙中潜伏的黑洞肯定比他们以前想象的要多。也许更多。

  这些新发现的样本使一个古老的想法栩栩如生,尽管这个想法已经被忽略了很多年。我们知道,当大恒星死亡时,会产生黑洞。但是,“大爆炸”本身也可能产生黑洞。根据宇宙尺度的经验法则,可以想象许多以这种方式隐藏的原始黑洞是由暗物质构成的。毕竟,尽管科学家们已经进行了数十年的探索,但他们并未发现任何暗物质颗粒。如果黑洞,我们需要的公式,在我们的鼻子下面?

  “是的,这个想法太疯狂了。“约翰·霍普金斯大学的宇宙学家马克·卡米扬科夫斯基说,他的研究团队在2016年发表了引人注目的论文,以探讨这种可能性。“但这不一定比其他任何东西都要疯狂。”

  

  已知黑洞的质量图

  然而,思考原始黑洞的这一方面在2017年遇到了挫折。当时,Yacine Ali-Ha?是纽约大学的天体物理学家,以前对此想法很乐观。穆德发表了一篇论文,解释了这种类型的黑洞应如何影响LIGO的检出率。他计算发现,如果婴儿宇宙产生足够多的由暗物质构成的黑洞,那么随着时间的流逝,这些黑洞将彼此成对配对,越来越近,然后合并,这应该允许LIGO的检出率为 比实际情况高出数千倍。尽管他还敦促其他研究人员使用其他方法继续研究这个想法,但许多人却失去了希望。阿里哈?穆德(Moud)的论点如此具有决定性,以至于甚至卡米昂科夫斯基(kamionkowski)对这一假设的兴趣也受到了严重打击。

  然而,在最近的一波论文之后,最初的黑洞思想似乎又重新焕发了青春。蒙彼利埃大学的宇宙学家卡尔斯滕·杰达姆兹克(Karsten Jedamzik)在最近发表在《宇宙学与天体物理学杂志》上的一篇论文中指出,大量原始黑洞的碰撞模式可以完全匹配LIGO的观察结果。“如果他的计算是正确的-并且似乎他的计算非常谨慎-那么我可以将自己计算的最后钉子放在棺材板上。“阿里哈?穆德说,他还在后续文件中继续探索原始的黑洞想法。“这意味着实际上这些黑洞可能全部由暗物质组成。”

  “结果令人兴奋。萨塞克斯大学的宇宙学家克里斯蒂安·伯恩斯(Christian Byrnes)帮助激发了杰达姆兹克的某些论点,他说:“他比以往任何时候都走得更远。”

  这个想法可以追溯到1970年代Stephen Hawking和Bernard Carr的工作。霍金和卡尔认为,在宇宙的第一秒中,密度的微小波动会使一些幸运或不幸的区域的质量过大。每个这样的区域都会崩溃成一个黑洞。黑洞的大小由区域的地平线表示。地平线内的任何物质都将落入黑洞的引力并被吸入黑洞。霍金进行了粗略的计算,结果表明,如果这些黑洞大于小行星,那么它们今天可能仍会潜伏在宇宙中。

  1990年代取得了更多进展。当时,理论研究人员已经有了宇宙膨胀的理论,认为宇宙在大爆炸之后经历了爆炸。扩展可以解释宇宙的初始密度波动来自何处。

  除了这些密度波动外,物理学家还考虑了可能导致坍塌的关键过渡阶段。

  宇宙诞生时,其所有物质和能量都以令人难以置信的高热等离子体的形式存在。在大约第一个千分之一秒到千分之一秒之后,宇宙有点冷却了。 这些等离子体开始释放夸克和胶子,它们可以结合成更重的颗粒。当一些以光速运动的粒子束缚在一起时,压力下降。这可以允许更多区域塌陷成黑洞。

  但是在1990年代,没有人完全了解夸克和胶子的物理性质,因此很难准确地预测这种过渡相将如何影响黑洞的形成。理论研究人员无法解释原始的大黑洞应该是什么,也无法估计其数目。

  此外,宇宙学家似乎并不需要真正的原始黑洞。天文学观测希望通过扫描天空在银河系的外围找到一片高密度的隐藏天体海洋。 可能有天体,例如黑洞,但最后发现的并不多。相反,大多数宇宙学家开始相信,暗物质是由一种称为WIMP(Wakly相互作用大质量粒子)的不可观察的粒子组成的。并希望会有爆炸的趋势。 当时,人们认为无论是要建造的特殊WIMP探测器还是大型强子对撞机,他们都会找到存在的确凿证据。

  由于似乎解决了暗物质问题,并且没有其他观察结果表明其他可能性,因此有关黑洞的原始学术研究已停滞不前。“由于这个问题,一位高级宇宙学家甚至或多或少地嘲笑我。“杰达姆兹克回顾了1990年代,说:“所以我停下来,因为我需要任职。”

  当然,从那时起已经过去了数十年,而且我们还没有发现任何WIMP,更不用说任何新的粒子了(很早就预测到希格斯玻色子的存在)。暗物质仍然隐藏在黑暗中。

  但是现在我们知道更多了,我们还知道原始的黑洞确实可能存在。现在,物理学家可以计算宇宙开始时夸克-胶子等离子体的压力和密度的演变。伯恩斯说:“科学界真的花了数十年的时间才弄清楚这一点。“有了这样的信息,Byrnes和马德里自治大学JuanGarcía-Bellido等理论研究者过去几年里发表了多篇论文研究,预测说早期宇宙不只会产生一种规模的黑洞,或者会产生在一定规模范围内有黑洞。

  首先,夸克和胶子结合形成质子和中子。这将导致压力下降,并可能产生一组原始的黑洞。随着宇宙继续冷却,会形成诸如介子之类的粒子,从而导致另一轮压力下降以及黑洞的爆炸性诞生。

  在这些不同的时代之间,空间本身正在扩大。第一批黑洞可以吸收周围物质的太阳质量。第二批黑洞可能能够吸收大约30倍于太阳质量的物质,与LIGO首次观察到的黑洞一样大。“引力波拯救了我们。加西亚·贝利多说。

  LIGO宣布在2016年发现第一条引力波后的几周内,原始的黑洞假说重生了。但是第二年,阿里哈?穆德提出了自己的论点:原始的黑洞可能会过于频繁地碰撞,这为支持该假设的人提出了主要障碍。

  Jedamzik接受了挑战。在哥斯达黎加度假时,他开始学习阿里·哈?穆德的论点。阿里哈?穆德的研究是通过使用方程的分析方法完成的。但是当Jedamzik为同一问题创建数值模拟时,他发现了一个转折点。

  原始的黑洞确实会配对。但是Jedamzik得出结论,在一个充满黑洞的宇宙中,通常会有第三个黑洞靠近最初的黑洞对,并与其中一个交换位置。此过程将继续重复。

  随着时间的流逝,这种模式的不断交换使成对的两个黑洞几乎总是在圆形轨道上。这些成对的黑洞的碰撞将非常缓慢地发生。即使有很多原始的黑洞,它们也不会频繁合并,因此原始的黑洞假说仍然与LIGO观察到的融合速率相匹配。

  

  路易斯安那州利文斯顿的一个LIGO检测部门。

  他于今年6月在互联网上发表了研究结果,并回答了阿里·哈?自己和其他外部专家的情绪。“重要的是要尽可能说服社区,说服他们您不是在胡说八道。耶达齐克说。

  他还进行了另一项研究,预测原始的黑洞会聚集成直径不超过太阳与最近恒星之间距离的暗星团。每个星团可能包含大约1,000个聚集在一起的黑洞。一个太阳质量的30倍的庞然大物位于该星团的中心,其他更小的黑洞充满了一般空间。天文学家认为这些恒星团可能潜伏在暗物质所在的地方。就像银河系中的恒星和环绕太阳的行星一样,每个黑洞的轨道运动都可以防止黑洞互相吞噬,因此只有少数罕见的黑洞融合事件。

  在第二篇论文中,杰达姆兹克(Jeddamzik)计算了这些融合事件的稀有程度。他已经对LIGO观察到的大黑洞进行了计算,但尚未计算出较小的黑洞。(小的黑洞会产生微弱而尖锐的信号,必须相对接近才能观察到。)他说:“当然,我很惊讶地发现一个接一个的正确结果。”

  最初的黑洞假说的支持者还有很多工作要说服。大多数物理学家仍然认为,暗物质是由某种基本粒子组成的,但是我们很难检测到它们。另外,如果LIGO探测到的黑洞来自普通恒星,结果将不会有太大差异。“这就像填补了不存在的理论空白。卡内基梅隆大学天体物理学家卡尔·罗德里格斯说:“ LIGO的观测数据有些奇怪,但是我们目前能够解释通过普通恒星演化所看到的一切。”

  哈佛大学的天体物理学家塞尔玛·德·明克(Selma de Mink)更钝了:“我认为天文学家可以嘲笑它。”

  要改变当前的争论,只需找到一个比太阳质量低并且不是由恒星产生的黑洞(根据原始的黑洞理论,这种黑洞应该很常见)。随着后续观察的进行,LIGO的敏感性也会提高,这将使其最终找到如此小的黑洞或严格限制黑洞的数量。“这个故事不像弦理论那样,十年或三十年后,我们可能仍在讨论它是否正确。“伯恩斯说。

  同时,其他天体物理学家也在探索该理论的不同方面。例如,对原始黑洞的最强约束可能来自微透镜搜索-这些研究也始于1990年代。在这些任务中,天文学家监视明亮但遥远的光源,并等待看是否有深色物体通过它们。这些搜索排除了均匀分布的小黑洞的存在。

  García-Bellido说,如果原始的黑洞具有较大的质量分布并会聚成密集的大规模恒星团,那么这些监测结果并不像研究人员先前所想的那样重要。

  将来的观察可能最终解决这个问题。欧洲航天局(ESA)最近同意向美国宇航局未来发射的南希·格雷斯罗马太空望远镜增加一项重要的新功能,从而使其能够进行前所未有的微透镜研究。

  这是ESA科学总监GüntherHasinger的要求,他提出原始的黑洞可以解决许多谜团。在哈辛格看来,这个想法很有吸引力,因为它不涉及新的粒子或新的物理理论。它仅使用现有元素。

  他说:“我相信,从不同的角度来看,当前的一些问题实际上可以自己解决。」

  原始链接:

  https:// www。量子杂志。org / black-holes-from-big-bang-could-the-dark-matter-20200923 /

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