黑洞

物理学家认为大爆炸的黑洞可能是黑暗的问题

这是斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的一个古老想法:看不见的“原始”黑洞可能是隐藏的暗物质。几十年来,它一直不受欢迎,但是一系列新的研究表明了该理论是如何工作的。
各种尺寸的黑洞

原始的黑洞将聚集在整个宇宙的不同块中。相对较大的黑洞将被小得多的黑洞所包围。

Olena Shmahalo / Quanta杂志

黑洞就像鲨鱼。在大众的想象中,优雅,简单,令人恐惧的东西超出了他们应有的价值,并且可能潜伏在我们周围黑暗,黑暗的地方。

它们的黑度使其很难估计宇宙中有多少黑洞以及它们有多大。因此,当 第一次引力波 2015年9月,激光干涉仪重力波天文台(LIGO)的探测器发出了巨大的撞击声。以前,最大的恒星黑洞顶出的质量约为太阳质量的20倍。这些新的质量每个约为30太阳质量-并非不可想象,而是奇怪的。此外,一旦LIGO开启并立即开始听到这类物体相互融合,天体物理学家意识到,在那里潜伏的黑洞肯定比他们想象的要多。也许更多。

这些奇怪的标本的发现使新的想法焕发出了新的活力-近年来,这个想法已沦落到边缘。我们知道垂死的恒星会产生黑洞。但是也许在“大爆炸”本身期间也产生了黑洞。这种“原始”黑洞的隐藏种群可能会构成暗物质,这是宇宙尺度上的隐藏拇指。毕竟,尽管进行了数十年的搜索,但没有暗物质粒子显示出来。如果我们真正需要的成分(黑洞)一直在我们的鼻子下面怎么办?

“是的,这是一个疯狂的主意,”他说 马克·卡米翁科夫斯基是约翰·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的宇宙学家, 许多引人注目的论文之一 在2016年探讨了这种可能性。“但不一定比其他任何事物都要疯狂。”

las,2017年,有原始黑洞的调情恶化了。 YacineAli-Haïmoud纽约大学的天体物理学家以前曾是乐观的Kamionkowski小组的成员,他研究了这种黑洞如何影响LIGO的检出率。他 计算的 如果婴儿宇宙产生了足够多的黑洞来解决暗物质,那么随着时间的流逝,这些黑洞将变成二进制对,彼此绕得越来越近,并以比LIGO观测到的速度高数千倍的速度合并。他敦促其他研究人员继续使用替代方法来研究该想法。但是许多人失去了希望。该论点是如此的可恶,以至于卡米昂科夫斯基说,这使他对这一假设的兴趣消失了。

但是,现在,在最近的大量论文之后,原始的黑洞想法似乎重新流行起来。在最新的一项中, 上周发表 在里面 宇宙科学与天体物理学杂志, 卡斯滕·杰丹兹克(Karsten Jedamzik​​)蒙彼利埃大学的一位宇宙学家,展示了大量原始黑洞如何导致与LIGO观察到的碰撞完全匹配的碰撞。 “如果他的结果是正确的-并且似乎已经进行了仔细的计算-这将在我们自己的计算的棺材中钉上最后一个钉子,”阿里-海默德(Ali-Haïmoud)表示,他继续采用随后的论文也是如此。 “这实际上意味着它们可能是所有暗物质。”

“令人兴奋,”说 克里斯蒂安·伯恩斯是萨塞克斯大学(University of Sussex)的宇宙学家,他帮助激发了Jedamzik​​的某些论点。 “他比任何人都走得更远。”

T他最初的想法可以追溯到1970年代, 斯蒂芬·霍金 and 伯纳德·卡尔。霍金和卡尔认为,在宇宙的最初几分之一秒内,其密度的微小波动可能赋予了幸运的或不幸的质量太大的区域。这些区域中的每个区域都会崩溃成一个黑洞。黑洞的大小取决于该地区的地平线-以光速可到达的任何点周围的空间。地平线上的任何物质都会感觉到黑洞的重力并掉进去。霍金的粗略计算表明,如果黑洞大于小行星,那么它们很可能仍会潜伏在当今的宇宙中。

1990年代取得了更多进展。到那时,理论家们也有了宇宙膨胀理论,该理论认为宇宙在大爆炸之后就经历了一次极端膨胀。通货膨胀可以解释初始密度波动的来源。

除了这些密度波动之外,物理学家还考虑了将沿着坍塌哄骗的关键过渡。

当宇宙是新的时,所有的物质和能量都在难以想象的热等离子体中沸腾。在千分之一秒之后,宇宙冷却了一点,等离子体的松散夸克和胶子可能结合在一起形成更重的粒子。现在,一些抗闪电粒子束缚在一起,压力下降了。这可能有助于更多地区陷入黑洞。

但是在1990年代,还没有人足够了解夸克和胶子的物理性质,无法对这种转变如何影响黑洞产生做出精确的预测。理论家不能说应该有多少个原始的黑洞,或者有多少个黑洞。

而且,宇宙学家似乎并没有真正需要原始的黑洞。天文学调查扫描了天空的斑块,希望能找到密密麻麻的黑暗物体的海洋,如漂浮在银河郊区的黑洞,但并没有发现很多。取而代之的是,大多数宇宙学家开始相信,暗物质是由称为WIMP的超害羞粒子构成的。希望ed之以鼻 专用WIMP检测器 否则即将到来的大型强子对撞机很快就会找到确凿的证据。

由于暗物质问题要用弓把自己包裹起来,并且没有观察到其他暗示,原始的黑洞成为了学术上的死水。杰达姆兹克说:“一位高级宇宙学家对我所做的工作感到kind讽,”他将自己的兴趣追溯到1990年代。 “所以我停止了,因为我需要有一个永久职位。”

当然,从那以后的几十年中,没有发现WIMP, 也没有任何新粒子 (保存已久的希格斯玻色子)。暗物质保持黑暗。

如今,人们对可能产生原始黑洞的环境的了解更多。现在,物理学家可以计算出宇宙开始时夸克-胶子等离子体如何产生压力和密度。伯恩斯说:“社区真的花了数十年的时间来解决这个问题。”掌握了这些信息后,诸如伯恩斯(Byrnes)和 胡安 加西亚·贝利多 马德里自治大学近几年来一直在发表研究 预言 早期宇宙可能不仅产生了一个黑洞大小,而且还产生了一系列黑洞。

首先,将夸克和胶子粘合成质子和中子。这造成了压力下降,并可能产生了一组原始的黑洞。随着宇宙不断冷却,诸如小子之类的粒子形成,造成另一次压力骤降,并可能导致黑洞爆炸。

在这些时代之间,空间本身扩大了。第一个黑洞可以从周围的地平线吸收约一太阳质量的物质。第二轮可能会抓住大约30个太阳质量,就像LIGO最初看到的奇怪物体一样。 “引力波来了我们的救援,”加西亚·贝利多说。

W在2016年LIGO首次引力波宣布的几周后,原始的黑洞假说重新焕发了生命。但是第二年,阿里·海默德提出了他的论点,即原始的黑洞会经常发生碰撞,这给支持者们克服了主要障碍。

Jedamzik​​接受了挑战。在哥斯达黎加的一个长假期间,他追随阿里·海默德的论点。 Ali-Haïmoud通过方程式分析了他的工作。但是当Jedamzik​​创建相同问题的数值模拟时,他发现了一个错误。

原始的黑洞确实会形成二进制文件。但是杰达姆兹克得出结论,在一个充满黑洞的宇宙中,第三个黑洞通常会接近第一对黑洞,并用其中一个改变位置。此过程将一次又一次地重复。

随着时间的流逝,从一个伙伴到另一个伙伴的摆动将留下具有几乎圆形轨道的二元黑洞。这些合作伙伴之间的碰撞将非常缓慢。即使是大量的原始黑洞也很少合并,以至整个假设仍符合LIGO观察到的合并率。

LIGO手臂

LIGO探测器的一只手臂位于路易斯安那州利文斯顿。

William Widmer,《 Quanta》杂志

在线发布他的作品 今年6月,提出了来自外部专家(例如Ali-Haïmoud本人)的问题。杰达姆兹克说:“让社区尽可能说服您,不仅是在胡说八道,这非常重要,”比“胡说八道”更具说服力。

他还基于预测原始黑洞将位于直径约等于太阳与最近的恒星之间距离的暗团中的工作基础上。这些星团中的每个星团可能都包含大约一千个挤在一起的黑洞。拥有30个太阳能质量的庞然大物位于中央。较小的那个会填满其余的空间。这些星团将在天文学家认为暗物质存在的所有地方潜伏。就像银河系中的恒星或环绕太阳的行星一样,每个黑洞的轨道运动都会阻止它吞噬另一个,除非是在那些罕见的合并中。

在一个 第二篇论文,杰达姆兹克(Jedamzik​​)精确计算出这些合并应该有多罕见。他对LIGO观察到的大黑洞进行了计算,对较小的黑洞进行了计算。 (小的黑洞会产生微弱,高音调的信号,并且必须在附近被发现。)“我当然惊讶地发现,我接连得到正确的速率,”他说。

A原始黑洞假说的拥护者仍有许多令人信服的事情要做。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,很难被发现。此外,LIGO黑洞与我们预期的来自普通恒星的黑洞并没有太大不同。 “这填补了理论中实际上并不存在的一个空白,”他说 卡尔·罗德里格斯卡内基梅隆大学的天体物理学家。 “有些事情很奇怪 一些LIGO资料来源,但我们可以解释到目前为止通过常规恒星演化过程所见的一切。”

塞尔玛·德明克哈佛大学的天体物理学家为直觉如何勾勒出LIGO所见到的沉重的黑洞双星勾勒出了一些理论,他更直言不讳:“我认为天文学家对此可以笑一点。”

仅找到一个亚太阳质量的黑洞(根据原始的黑洞情况,这很普遍,并且不能由恒星形成)将改变整个争论。在随后的每次观测中,LIGO都提高了灵敏度,使其最终可以发现如此小的黑洞或对存在的黑洞设置严格的限制。伯恩斯说:“这不是弦理论那样的故事之一,在十年或三十年中,我们可能仍在讨论它是否正确。”

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-与1990年代相同的调查。在这些努力中,天文学家监视明亮但遥远的源头,等待观察是否有深色物体通过它们的前方。长期以来,这些搜索都排除了均匀分布的小黑洞。

但加西亚·贝利多说,但如果原始黑洞存在于一定范围内,并且被堆积成密集的大块团簇,那么这些结果可能没有研究人员想象的重要。

即将来临的观察也可能最终解决这个问题。欧洲航天局最近同意为NASA即将到来的工作提供一项重要的额外功能 南希·格蕾丝·罗曼 太空望远镜,这将使其能够进行开创性的微透镜研究。

的增加是应 冈瑟·哈辛格,欧空局(ESA)科学总监,他提出了原始的黑洞可以解释多个谜团的论据。对于Hasinger来说,这个想法很吸引人,因为它不会引用新的粒子或新的物理学理论。它只是重新利用了旧元素。

他说:“当您用不同的眼睛看时,也许我仍然会解决一些难题,”他说。

本文转载于 Wired.com.

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