觀測未能證實霍金生前一理論預言 但否定也為時尚早
2019年05月13日08:02
HSC相機拍攝的仙女座大星系圖像,近期使用這台相機拍攝的仙女座星系高清圖像正在幫助科學家們檢驗已故著名天體物理學家霍金的理論。在這項研究中,他們找到一例可能來自一個中等質量原初黑洞的信號
HSC相機拍攝的仙女座大星系圖像,近期使用這台相機拍攝的仙女座星系高清圖像正在幫助科學家們檢驗已故著名天體物理學家霍金的理論。在這項研究中,他們找到一例可能來自一個中等質量原初黑洞的信號

  新浪科技訊 北京時間5月13日消息,綜合國外媒體相關報導,已故著名的英國天體物理學家史蒂芬·霍金的一項關於宇宙暗物質的理論預言近期遭受了一次重大打擊。霍金曾經指出,這種神秘的,難以捉摸的物質是由原初黑洞構成的。但近期,一項使用大型望遠鏡開展的觀測研究得到的結論似乎與霍金的預言並不相符。

  當然,最新的研究並未完全否定霍金的理論,但如果這項理論正確,那麼這種原初黑洞的質量必須很小才行。

  暗物質之謎

  “暗物質”是物理學家們發明的一個詞,用於解釋宇宙中一種難以解釋的神秘現象,那就是:宇宙中的那些星系和恒星的運動狀況,無法用經典的引力理論進行解釋——除非還有一些隱藏的,我們看不到的質量存在,才能解釋這種詭異的運動情況。百思不得其解的物理學家們於是便給這種隱匿在黑暗之中,看不到的神秘物質取名為“暗物質”。

  這個名字本身也凸顯了其神秘性,關於它的本質,有各種各樣的假說,從中微子到某種人類尚未認知的粒子,再到全新的物理學理論,不一而足。

  在1970年代,霍金和同事們從理論上推測,宇宙大爆炸的過程中可能會創生出很多相對質量很小的黑洞,每一個的大小都和一個質子差不多。這些極其微小而古老的黑洞將極難被觀測到,但聚集在一起時仍然會產生明顯的引力效應,而這兩種性質完全符合對暗物質的描述。

  要想證實原初黑洞,需要進行觀測搜尋。在此之前,科學家們的能力最多隻能做到對質量大於月球級別的黑洞進行搜尋。但隨著技術不斷進步,科學家們的觀測精度不斷提升,我們開始有一些更加先進的辦法可以做到以前做不到的事情。

  這一次,日本國立天文台設在美國夏威夷的昴星團望遠鏡上安裝的一台超級數字成像設備(HSC)大顯神威。這是一台先進設備,採用了最頂尖的成像技術,其可以一次拍攝整個仙女座大星系,這是距離銀河系最近的大型河外星系。

  日本東京大學科維里宇宙數理研究所的高田昌広教授團隊使用這台相機設備開展對原初黑洞的搜尋;他們的研究成果已經在近期出版的《自然-天文學》上發表。

  黑洞不會發出任何光線,但大型黑洞,比如位於M87星系核心的那種超大質量黑洞,則會產生明亮的吸積盤結構。但是原初黑洞的質量要比這小數十億倍,因此無法被觀測到,不會發光,也沒有吸積盤結構。要想搜尋這樣的黑洞,你需要觀察由於黑洞引力作用而產生的光線彎曲效應,在天文上,這種效應被稱作“微引力透鏡效應”。

  通過使用望遠鏡相隔一段時間拍攝多張同一顆恒星的圖像,科學家們可以從中搜尋微引力透鏡效應的跡象。從一顆恒星前方通過的黑洞將造成這顆恒星發出的光線被彎曲,使其亮度出現暫時性增強,黑洞質量越小,這種亮度增強持續的時間越短暫。高田昌広教授指出:“如果一個微引力透鏡效應天體質量和太陽相當,那麼微引力透鏡效應的持續時間大約是數個月或者一年。”

  問題是,他們所要搜尋的黑洞質量要比這小的多得多,大約是月球質量。這就意味著這種增亮效應持續時間要短得多得多。但正如高田昌広教授指出的那樣,HSC相機很獨特。簡單來說,HSC相機可以讓天文學家們一次拍攝便完成對整個星系的成像,並且曝光時間(天文學尺度上)極短,每拍攝一張只需要大約2分鍾的曝光間隔即可。

  在一個晴朗的夜晚,高田昌広教授在大約7個小時時間內利用這台超級設備拍攝了大約200張仙女座大星系的圖像。在這些圖像中,他們只找到一例微引力透鏡事件。如果原初黑洞果真構成了暗物質的大部分成分,那麼高田教授指出,我們應該可以至少找到1000起左右的微引力透鏡事件,而不是1例。

  對於這項研究結果,美國加州大學河濱分校的黑洞物理學家西蒙·伯德(Simeon Bird)評論道:“微引力透鏡效應是探測黑洞或將其排除的試金石。這項最新研究在相當大的質量水平上排除了原初黑洞作為暗物質主要成分的可能性,其給出的約束要比之前的結果都更加嚴格。這是一個很漂亮的結果。”

  所以,這件事可以蓋棺定論了嗎?霍金的這項預言已經被證偽了嗎?對此,不管是伯德還是高田都表示,還不能這麼說。他們指出,這項研究儘管給出了進一步的限製,但目前還無法完全就此將原初黑洞的理論就此完全排除。

  伯德表示:“仍然還有一些質量範圍,其限製條件仍然很弱,比如在20~30倍太陽質量附近,還存在1%~10%的暗物質概率,而在更低的質量尺度上也還有機會,比如與小行星質量相當的黑洞。”

  高田教授表示:“我們的物理學家們非常興奮,因為仍然存在機會。”目前的結果還無法排除那些質量更小的黑洞的可能性,因為來自這類黑洞產生的閃光效應太過短暫,因此“我們需要另想辦法。”

  但至少,他們的這次巡天找到了一例“閃光”事件。儘管這仍然是一項孤立的,初步的結果,但這項結果可能會被證明非常重要,因為它可能會成為對於霍金理論預言的一項關鍵驗證。

  高田教授表示:“只有一個觀測案例還不夠具有說服力。我們需要更多的觀測例證來檢驗它。如果這真的是一個原初黑洞,那麼我們應該繼續搜尋同類天體。”他們也正準備這樣做,而強大的昴星團望遠鏡和HSC相機將是他們最好的幫手。(晨風)

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