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“小宇宙”可能孕育最原始的黑洞

來源:中國科學報 作者:袁柳 2021年01月05日 11:23

  2020年諾貝爾物理學獎頒給了3位對黑洞研究有重要貢獻的科學家。這之後不久,新的關於黑洞的研究登上了《物理評論快報》,科學家發現,宇宙膨脹過程中形成的“小宇宙”,很可能孕育了最原始的黑洞。

  這一系列研究由日本東京大學科維理宇宙物理學與數學研究所(Kavli IPMU)的多名成員合作完成,近日,該機構在官網刊文介紹了相關研究始末。

  暗物質被視為宇宙的主要組成,人們觀測到的引力波信號、在銀河系或其他星系中心發現的超大黑洞或許都源於暗物質。而在原始恆星和星系誕生前,早期宇宙中就有黑洞形成,這些原始黑洞很可能是暗物質的重要構成。

  為研究原始黑洞,來自Kavli IPMU的粒子物理學家、宇宙學家和天文學家從宇宙早期演化入手,尋找利於黑洞形成的條件。

  按宇宙膨脹論,在宇宙膨脹這一快速擴張階段,早期星系和星團開始演化,與此同時,許多“小宇宙”誕生,這些真空氣泡很可能是不同於現存宇宙的存在,其相對較小的體積釋放出的巨大能量很可能導致黑洞產生。

  對體量更大的“小宇宙”而言,如果其大小處於某個臨界值,按照相對論,“小宇宙”可從內外兩種角度觀察。若在其內部,觀察者可將其視為正在擴張的宇宙,若在其外部,觀察者可將其視為黑洞。無論何種角度,研究者都可將“小宇宙”視為黑洞產生的雛形,它將多個宇宙的基本結構隱藏在事件視界之後。

  此前,研究小組在《自然—天文學》上介紹了原始黑洞觀測的候選事件。在《物理評論快報》上,研究團隊描述了原始黑洞形成的一種新的可能。

  研究小組用位於夏威夷的昴宿星團望遠鏡及其搭載的第二代超廣角主焦點照相機(HSC)展示了多個“小宇宙”場景中的觀測數據。如果一個原始黑洞穿過恆星星系,抵達一顆望遠鏡視線內的恆星,黑洞引力會使光線彎曲,使該恆星在短時間內比往常更亮。根據恆星變亮的持續時間,可以測算出黑洞質量。藉助HSC,人類有能力同時觀測上億顆恆星,從而“廣撒網”,找尋那些正在穿越星系的原始黑洞。目前,研究團隊正在展開新一輪觀察、擴大搜索範圍,以進一步驗證相關結論。

  研究團隊還展示了HSC的觀測數據,其中一些觀測對象與激光干涉引力波天文台觀察到的超大質量黑洞的雛形重合。一系列數值研究表明,如果能確定HSC的觀測對象是暗物質的主要來源,那麼進一步的光學勘測及研究可為原始黑洞的形成機制提供更多論據。

(責編:鄢妮)