“旅行者1號”再立新功 或排除暗物質是微型黑洞假說
2019年01月18日09:40
遨遊太空的“旅行者1 號 ” 圖片來源:JPL Caltech/NASA
遨遊太空的“旅行者1 號 ” 圖片來源:JPL Caltech/NASA

  來源:中國科學報

  自1978年美國天文學家Vera Rubin通過旋轉曲線第一次提供了暗物質存在的證據以來,在過去的40年間,天文學觀測為暗物質的存在積累了豐富證據。然而,暗物質的本質仍晦暗不明,不過黑洞作為暗物質的一種選擇,儘管有可能所佔比例極小,但並未完全排除。

  近日,在太空遊蕩了41年的“旅行者1號”無意之中動搖了一個暗物質理論的大膽猜想,其是小型黑洞的可能性大大降低。

  “我從沒想過我們能夠以任何方式為研究暗物質作出貢獻,”自1973年起就一直參與“旅行者1號”項目的加州理工學院太空科學家Alan Cummings表示,“能有這樣的發現真是太好了。”

  推論黑洞質量範圍

  幾十年來,天體物理學家一直認為,一些不可見的物質為維繫星系的穩定提供了額外引力。在發現存在暗物質的初期,黑洞被當作一種極為可能的候選體,吸引了眾多天文學家的興趣。不過現在看來,黑洞完全為暗物質的說法可以被徹底排除,然而極少一部分暗物質由黑洞組成的說法依舊可行。

  黑洞通常被認為是大質量恒星內部停止核燃燒、在自身重量的作用下坍縮形成的一個緻密天體,它被認為體積無窮小,但引力超強。

  但是要想用黑洞解釋暗物質絕非易事。在宇宙中,暗物質的重量是普通物質的6倍,所以不可能通過坍縮恒星產生這種不平衡的比例。

  一種僅有的可能性就是原初黑洞。這種黑洞的形成途徑和上面的恒星坍縮形成的黑洞不同。在第一代星系和恒星形成之前,宇宙早期物質的微小波動坍縮可能會形成所謂的原初黑洞。這種原初黑洞幾乎可以有任意的質量,但如果不與天文觀測相衝突,它們的數量就不會過多。例如,一群比太陽質量大得多的黑洞會像炮彈穿過枝形吊燈一樣粉碎星系,成群結隊的小黑洞則會通過所謂的引力透鏡扭曲遙遠恒星和星系的圖像。

  “這樣的觀測結果只給原始黑洞留下了3個可能的質量範圍。”英國倫敦瑪麗女王大學的宇宙學家Bernard Carr認為,它們的質量可能是太陽的1到10倍,或大約是太陽的十億分之一,或者低於太陽的千萬億分之一,那些最小的黑洞只有原子核那麼大。

  但法國索邦大學的理論學家Mathieu Boudaud和Marco Cirelli在即將出版的《物理評論快報》刊載的一篇論文中指出,如果它們真的存在,“旅行者1號”應該能探測到那些超小黑洞的表徵輻射。黑洞之所以得名,是因為包括光在內的任何物質接近它後都無法逃脫。但是在1973年,已故的霍金推論認為,即便如此,黑洞依然能放射出一些光和粒子。

  排除小型黑洞可能性

  根據量子力學,真空中存在著粒子—反粒子對,它們在空間中來回穿梭。霍金意識到,如果一對粒子以恰當的距離出現在黑洞附近,那麼其中一個粒子可能會跌入黑洞中,而另一個可能以霍金輻射的形式飛離。黑洞越小,溫度越高,輻射也就越大。

  “如果有大量質量非常小的黑洞存在,因為霍金蒸發的溫度會非常高,從而釋放產生大量正負電子對,那麼它們在星際空間應該能夠被觀測到。”中國科學院國家天文台研究員苟利軍告訴《中國科學報》,然而觀測結果卻沒有證實這一點。

  事實上,自2012年“旅行者1號”離開太陽系之前,它已經偵測到一些微弱的、持續的正負電子對流量,這和“旅行者1號”離開太陽系之後探測到的流量相近,並沒有什麼變化。Boudaud等人的計算結果表明,即使它們都來自微小的黑洞,也不會有足夠的黑洞佔據銀河系暗物質的1%以上,而銀河系內超新星爆發遺蹟已經足夠產生所觀測到的這些流量。

  Carr認為,這項新研究幾乎排除了低質量的原始黑洞是暗物質的可能性,他一直傾向於認為黑洞的質量相當於幾個太陽質量。“這個低質量的‘窗戶’從來都不是我的最愛。如果現在的限製條件排除了這種可能性,我個人不會感到困擾。”

  永無止境的探索之旅

  然而,“旅行者1號”無法搜索更大質量的原始黑洞。質量更大黑洞的霍金溫度不高,無法輻射出像電子和正電子這樣的大質量粒子。相反,它們只會發出非常微弱的、極難被探測到的光。所以,目前黑洞是暗物質的概念依然存在。

  苟利軍介紹,我國在深空探測器的飛行實驗階段進程緩慢。目前我國飛行最遠的衛星“嫦娥二號”自繞月飛行任務完成後,正向深空駛進。不過,若想像“旅行者1號”一樣飛出太陽系尚有難度。“這其中對於技術的要求很高,對於經費要求也很高昂,發射一個到土星附近的探測器都要幾十億美元。”他說。

  不過對於暗物質的探索,我國已取得了長足進步。2015年底,由中國科學院空間科學戰略性先導科技專項中首批立項研製的暗物質粒子探測衛星“悟空”號成功發射升空,在太空中開展高能電子及高能伽馬射線探測任務,以尋找暗物質的蛛絲馬跡。2017年,科學家利用“悟空”號採集到的數據,獲得了世界上迄今最精確的高能電子宇宙線能譜。

  “雖然至今也沒有探測出暗物質粒子,不過科學家會使用各種手段進行嚐試。”苟利軍認為,科學家進行研究的動力之一就是好奇,揭開宇宙組成的奧秘是一條永無止境的探索之旅。

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