黑洞中隱藏著暗物質?或許我們不能忽視這種可能性
2018年12月04日09:05
這不是科學家第一次暗示黑洞可能是暗物質,但之前我們認為,這種可能性已經被果斷地排除。
這不是科學家第一次暗示黑洞可能是暗物質,但之前我們認為,這種可能性已經被果斷地排除。

  作者簡介:佩德羅·費雷拉(Pedro Ferreira)是牛津大學的宇宙學家和天體物理學家,並且是牛津大學奧里爾學院的院士。他主要研究宇宙大規模結構的起源、廣義相對論,以及暗物質和暗能量的本質。他最近的著作《完美理論》講述了廣義相對論和宇宙學的歷史。該書入圍了皇家學會“科學書籍”獎和2014年物理世界書籍獎。

  2016年2月11日,當先進激光干涉引力波天文台(Advanced Laser Interferometric Gravitational Wave Observer,簡稱先進LIGO或aLIGO)的發言人宣佈引力波被發現時,我驚呆了。當然,我們期待過aLIGO在某種程度上會給我們帶來一些有趣的東西,但認為那是暫時的。我們預計,經過對數月或數年的數據進行複雜而艱苦的分析之後,這個項目將向我們展示一個微弱的信號,從噪聲中微微地探出頭來。

  但是,情況並不是這樣。在2月那具有重大意義的一天,顯示出來的圖像是如此清晰,如此明確,以至於我覺得沒有任何說服力。用我的肉眼,我可以看到兩個大型黑洞逐漸靠近,合併成一個,當它穩定下來時,便將引力波射向周圍的時空。

  還不止於此。aLIGO看到的黑洞其實不應該在那裡。我們知道,有些黑洞的質量是太陽的百萬或萬億倍,我們也見到過質量類似太陽的較小黑洞。然而,aLIGO看到的黑洞比太陽重30到60倍。我的一些同事現在聲稱,aLIGO發現的這些中型黑洞可能就是我們近50年來一直未能發現的暗物質。

  這不是科學家第一次暗示黑洞可能是暗物質,但之前我們認為,這種可能性已經被果斷地排除。重新撿起這個想法,其實只是在新發現之後又激發出豐富創造力的又一個例子。那些已經“失寵”的觀點可以重新流行起來,以新的眼光看待,並充滿熱情地進行探索,在某些情況下還會取代已被接受的觀點。這些經過修正的發現也將看似非常不同的研究領域——比如暗物質和引力波——結合在一起,獲得富有成效的結果。

  20世紀70年代,史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和他當時的研究生伯納德·卡爾(Bernard Carr)提出,從大爆炸之後的一片混沌中,可能會出現無數微小的原始黑洞,佔據宇宙空間。隨著時間推移,這些黑洞逐漸成長,並在這一過程中為星系形成提供種子。它們甚至可能為宇宙的整體能量收支做出貢獻。黑洞質量很大,很難觀測到,而這兩點正是我們在尋找宇宙中缺失的物質時需要考慮的屬性。

  幾十年來,一群堅定的支援者在不斷推動這一觀點。20世紀90年代,他們似乎受到了一次致命打擊。大質量緻密銀暈天體(MACHO)實驗“訓練”了一台望遠鏡,在大麥哲倫雲中觀察了當黑洞等物體從一顆恒星前經過時發生的微弱閃爍。他們發現,要找到足夠的黑洞來彌補宇宙中的全部暗物質是非常困難的。

  最近,來自普林斯頓大學高等研究院的蒂莫西·布蘭特(Timothy Brandt)研究了黑洞對密集恒星團的可能作用。這種密集的恒星團被稱為球狀星團(globular cluster),存在於在銀河系周圍虛空中隱藏的矮星系中。他的研究還顯示,如果黑洞數量太多,這些球狀星團就會加熱、膨脹並很快死亡。通過在矮星系Eridanus II中代入一個特定球狀星團的數值,布蘭特證明了只有一小部分暗物質可能以黑洞的形式存在。於是,“黑洞是暗物質”就成為理論家們喜歡提到的另一種奇特想法,但似乎在自然界中不能成立。

  尋找暗物質的重點在於大質量弱相互作用粒子(Weakly Interacting Massive Particles),簡稱WIMPS。這些基本粒子是非常早期的遺留,當時宇宙的基本作用力是統一的,並且行為與現在非常不同。我的許多同事認為,WIMPS的發現是不可避免的;它們必須存在。大多數宇宙學家認為,只要我們建造出足夠巨大、功能足夠強大的儀器,我們就必將觀測到這些奇怪的粒子。

  或者這一切不會發生。隨著時間推移,我們的探測器越來越大,功能越來越強,但它們可能不會發現任何東西。最近,位於美國南達科他州萊德市的大型地下氙實驗(LUX)依然未能提供輕量級暗物質粒子的任何證據。該探測器位於地下1480米深處,使用半噸重的液氙來搜尋WIMPS撞擊的痕跡。來自布朗大學的理查德·蓋茨凱爾(Richard Gaitskell)是LUX背後的建造者之一,他說:“如果提高靈敏度能帶來清晰的暗物質信號,那將是非常了不起的。然而,我們觀察到的都只與背景一致。”

  考慮到WIMPS探測中經曆的困境,似乎有必要重新審視一些較早以前,已經被棄之不用的觀點。近期的兩篇論文,作者分別是約翰霍普金斯大學的西米恩·伯德(Simeon Bird)和京都大學基礎物理學研究所的佐佐木節,他們正是這麼做的。

  在aLIGO發現的刺激下,他們研究了質量為太陽幾十倍的黑洞是否為暗物質的可能性。銀河系中很可能有100億個這樣的黑洞,其中距離太陽系最近的可能就在幾光年之外。在這些黑洞中,有些會靠近形成“雙黑洞”,少數這樣的雙黑洞可能會被aLIGO探測到。兩個研究團隊都認為,aLIGO應該每年都能探測到幾個到幾十個這樣的事件;相比通過恒星塌縮等普通方式形成的黑洞,它們將更具有優勢。換句話說,如果這些黑洞是銀河系中的暗物質,那我們應該已經用aLIGO發現它們了。我們確實也做到了。

  細節決定成敗。最初出現的原始黑洞是什麼樣的,這個問題依然懸而未決。一個觀點是,它們是在早期宇宙一段短暫的膨脹期(稱為“暴脹”)中產生的。膨脹過程中的顛簸和顫抖會使能量集中在密集的團塊中,從而為黑洞的形成提供種子。為了讓我們能探測到它們,這些黑洞需要以足夠近的距離聚集在一起,然後合併,產生引力波。這種情況如何發生,在什麼時候發生,將取決於銀河系的形狀、黑洞質量的緊密程度,以及黑洞的移動速度。合理的假設似乎給出了一個很有希望的答案,但這些依然只是假設。

  這些正是在aLIGO的發現之後,該研究領域中充滿興奮之情的表現,任何事情都可能發生。來自MACHO實驗和球狀星團的觀測結果違背了他們的假設,但一些巧妙的設想可能會解決觀測所帶來的問題。

  aLIGO的發現讓我回想起在職業生涯中見證過的另一個轉變。1991年,宇宙背景探測(COBE)衛星首次測量了宇宙微波背景輻射中的“漣漪”,而宇宙微波背景輻射正是大爆炸所殘留的輻射。追逐這些漣漪的過程令人沮喪,似乎很不切實際,然而卻持續了超過25年,幾乎將宇宙學帶入一潭死水。宇宙學本身看起來很難懂,很難有確切的結論,這是一個模糊的學科,雖然能帶來很大的滿足感和創造性。不過,這些“漣漪”最終還是被發現了,並且為宇宙學注入了許多充滿活力的想法,不僅是在天文學領域,還包括粒子物理學。

  幾十年來,直到現在,我們一直在嚐試將自然的基礎法則聯繫起來,這些法則主導了早期宇宙中的星系誕生、演化,並最終形成現在我們看到的大規模結構。儘管COBE衛星的發現讓我走上了現在的研究道路,但我可以非常清楚地看到,aLIGO也在為新一代物理學家尋找暗物質的過程中做著同樣的事情。(任天)

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