也許我們被大量黑洞包圍著？
The Wormhole Hans Zimmer - Interstellar (Original Motion Picture Soundtrack) 
宇宙物質(zhì)組成的大部分是一種神秘的暗物質(zhì)，通常人們認(rèn)為這是一種大質(zhì)量奇異粒子。而另外也有人認(rèn)為，暗物質(zhì)其實(shí)是宇宙誕生初刻形成的原初黑洞。據(jù)NASA消息，戈達(dá)德空間飛行中心的一位科學(xué)家表示，這一解釋符合當(dāng)前我們對(duì)宇宙紅外和X射線背景余暉的認(rèn)知，同時(shí)也能解釋去年人們意外觀測(cè)到的大質(zhì)量黑洞融合現(xiàn)象。
戈達(dá)德的天體物理學(xué)家Alexander Kashlinsky說(shuō)，“這一研究致力于將大量觀點(diǎn)和觀測(cè)結(jié)果綜合在一起，來(lái)檢驗(yàn)它們的匹配度，結(jié)果出人意料地好。如果確實(shí)如此，那么所有星系，包括我們的銀河系，都鑲嵌在一個(gè)由大量30倍于太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞構(gòu)成的巨大球體之內(nèi)?！?/span>
2005年，Kashlinsky領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)天文學(xué)家小組，用斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)部分天空的紅外背景余暉進(jìn)行了探測(cè)。學(xué)者們?cè)趫?bào)告中說(shuō)，余暉中存在著過(guò)多的斑塊，它們可能是130億多年以前照亮宇宙的首批聚合信號(hào)源。進(jìn)一步的研究確認(rèn)了天空其它區(qū)域的宇宙紅外背景中，也存在著類似的不明結(jié)構(gòu)。
假如我們把前面那張圖中的所有已知恒星、星系遮擋住，并增強(qiáng)其余的影像數(shù)據(jù)，就能發(fā)現(xiàn)一片不規(guī)則的背影余暉。淺色代表亮區(qū)。它的不規(guī)則程度超出了預(yù)期，僅靠那些遙遠(yuǎn)的未發(fā)現(xiàn)星系，無(wú)法對(duì)此加以解釋。學(xué)者們認(rèn)為，這種過(guò)亮的結(jié)構(gòu)可能是宇宙年齡低于十億年的時(shí)候產(chǎn)生的。它可能源自宇宙中形成的首批明亮天體。既包括首批恒星，也包括原初黑洞。NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky（Goddard）
2013年，在另一個(gè)研究項(xiàng)目中，人們把同一區(qū)域的宇宙X射線背景和宇宙紅外背景進(jìn)行了比較。首批恒星產(chǎn)生的主要是可見(jiàn)光和紫外線，今天這些光被空間的膨脹拉伸成了紅外線，因此它們?cè)谟钪鎄射線背景中本應(yīng)不怎么明顯。
但是宇宙X線背景中的低能X射線不規(guī)則光暈與宇宙紅外背景相當(dāng)吻合。迄今為止，我們所知唯一能夠在如此寬的能量范圍內(nèi)產(chǎn)生足夠亮度的天體是黑洞。研究小組因此得出結(jié)論，宇宙中最早誕生的恒星周圍，可能遍布著大量的原初黑洞。今天我們看到的宇宙紅外背景中，每五個(gè)疑似信號(hào)源中，至少有一個(gè)可能是原初黑洞。
與此同時(shí)，暗物質(zhì)的本質(zhì)仍然是當(dāng)今天體物理學(xué)中最大的未解之謎。科學(xué)家偏好于用理論模型來(lái)解釋它，把它視為一種奇異的大質(zhì)量粒子。但到目前為止，都還沒(méi)有找到任何證據(jù)，可以證明這種假想中的粒子確實(shí)存在。
“許多研究為我們提供了越來(lái)越多的靈敏結(jié)果，慢慢地縮小了暗物質(zhì)粒子的藏身之所，”Kashlinsky說(shuō)。“但我們始終未能找到它們。這又讓我們重新對(duì)原初黑洞產(chǎn)生了興趣——這些黑洞產(chǎn)生于宇宙誕生的最初一瞬間——它們有可能就是我們想要尋找的暗物質(zhì)。”
物理學(xué)家設(shè)想了許多種方法，來(lái)推測(cè)熾熱、急速膨脹的宇宙是如何在大爆炸后僅幾千分之一秒的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生出原初黑洞的。這一機(jī)制發(fā)生作用時(shí)，宇宙的年齡越大，產(chǎn)生出來(lái)的黑洞也越大。而且由于產(chǎn)生它們的時(shí)間窗口連一秒都不到，科學(xué)家猜測(cè)，原初黑洞的質(zhì)量范圍是極為有限的。
2015年9月14日，一對(duì)距離我們約13億光年的黑洞發(fā)生了融合，并產(chǎn)生了引力波。引力波被LIGO探測(cè)到。這一事件標(biāo)志著人類首次直接探測(cè)到引力波，同時(shí)也標(biāo)志著人類首次直接探測(cè)到黑洞。信號(hào)為科學(xué)家提供了這對(duì)黑洞的質(zhì)量信息，它們分別是29倍和36倍于太陽(yáng)質(zhì)量，誤差在4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量左右。這些數(shù)值都出人意料地大，也出人意料地相似。
根據(jù)已知的機(jī)制，原初黑洞，如果它們確實(shí)存在，那么它們的質(zhì)量可能與LIGO發(fā)現(xiàn)的這對(duì)黑洞十分相似。Kashlinsky解釋說(shuō)：“假定確實(shí)是這樣，那么LIGO發(fā)現(xiàn)的，就是一對(duì)形成于早期宇宙的黑洞?！?/p>
在5月24日發(fā)表于《天體物理學(xué)通訊》的新論文中，Kashlinsky假設(shè)宇宙中存在一族黑洞，它們和LIGO發(fā)現(xiàn)的黑洞十分相似。分析結(jié)果表明，這些黑洞會(huì)破壞早期宇宙的質(zhì)量分布，形成微小的波動(dòng)，并進(jìn)一步促成數(shù)億年后首批恒星的誕生。
在宇宙誕生后5億年的大部分時(shí)間中，一般物質(zhì)的溫度太高，無(wú)法形成恒星。暗物質(zhì)不受高溫影響，無(wú)論它究竟是什么，它主要只與引力發(fā)生作用。它們互相吸引，坍縮為團(tuán)塊，也就是所謂的“迷你暗暈（minihalo）”。它們成為引力種子，使得普通物質(zhì)的積聚成為可能。熾熱氣體朝著迷你暗暈坍縮，導(dǎo)致氣體團(tuán)塊的密度變大，進(jìn)而自我坍縮為首批恒星。Kashlinsky向我們展示了，如果黑洞扮演著暗物質(zhì)的角色，這一過(guò)程就會(huì)進(jìn)行的更快，且更容易在宇宙紅外背景中形成團(tuán)塊，即便只有一小部分迷你暗暈導(dǎo)致了恒星的出現(xiàn)。
宇宙中的氣體會(huì)持續(xù)不斷地墜向迷你暗暈，假如它們是黑洞，那么這些氣體也會(huì)被這些黑洞俘獲一部分。墜向黑洞的物質(zhì)會(huì)被加熱，并最終產(chǎn)生X射線。首批恒星產(chǎn)生的紅外線，和墜向“暗物質(zhì)黑洞”的氣體產(chǎn)生的X射線，能夠解釋我們?cè)谟钪婕t外背景和宇宙X射線背景中所見(jiàn)斑塊的一致性。
部分原初黑洞偶爾也會(huì)靠得太近，被引力俘獲成為一對(duì)雙黑洞。相互回旋、逐漸靠近的黑洞，由于軌道能量的丟失，會(huì)長(zhǎng)期釋放出引力輻射。最終它們會(huì)融合成一個(gè)較大的個(gè)體，發(fā)生LIGO所見(jiàn)的那種事件。
Kashlinsky說(shuō)，“未來(lái)LIGO所進(jìn)行的觀測(cè)會(huì)告訴我們和宇宙黑洞族群有關(guān)的許多信息，我所主張的觀點(diǎn)究竟成立與否，也無(wú)需等待太長(zhǎng)的時(shí)間，就可以見(jiàn)分曉?！?/p>
歐空局計(jì)劃于2020年升空的LIBRAE計(jì)劃，能夠以極高的精度，對(duì)宇宙紅外背景中的信號(hào)源類型進(jìn)行測(cè)定。屆時(shí)我們可能會(huì)有機(jī)會(huì)了解，它們中究竟哪些是由黑洞產(chǎn)生的。
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