宇宙中是否存在大量微型黑洞?它們和暗物質有啥關係?

2021-01-15 李論科學

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黑洞和暗物質乍一看,貌似也沒啥關係啊!其實它們還是有點淵源的。這裡就有個故事,在上世紀70年代,有個原始微型黑洞也就是量子黑洞的概念,這些微型黑洞當時就被認為大量存在於宇宙中,也構成了暗物質的一部分!也就是說宇宙大爆炸時期創造了這些微型黑洞!最後一直跟隨著宇宙大尺度結構的形成,如果微型黑洞存在,那麼黑洞就和暗物質有聯繫,它可能是暗物質的組成部分!我們先從典型黑洞說起。

那麼經典的恆星黑洞是否和暗物質有關?

典型黑洞和暗物質的形成時間和機理明顯不一樣,它和暗物質是絕對沒有關係的!

暗物質屬於物質的一種形式,目前認為是存在與標準模型之外的粒子,它們最可能的性質是:冷的緩慢移動弱相互作用大質量粒子!形成的時間被認為是在大爆炸時期或者大報紙之前的宇宙暴漲時期!

而一個典型的黑洞一般被認為是大質量恆星死亡後核心坍縮後的結果!形成的時期肯定是在中性原子形成、氣體雲坍縮形成第一代恆星以後,宇宙才有機會誕生一個典型的黑洞!所以現在來看經典的恆星黑洞和暗物質是沒有關係的!我們下面來看看宇宙是否創造了微型黑洞,如果微型黑洞真的大量存在,那麼它們就有可能是暗物質的組成部分!

目前被科學界接受的兩種黑洞形式

大爆炸理論給我們帶來最顯著的結果就是:我們已知的宇宙可以充滿行星、恆星、星系和生命,而且宇宙並不是一直存在的,它也有起點,有年齡!因為宇宙在膨脹和冷卻,那麼在過去宇宙的溫度更高、密度更大、體積更小。

但是今天充斥宇宙的物質並不存在於宇宙的早期階段,而是花了很長時間才演化而來的。引力至少需要數百萬年的時間,才能使密度稍微高的區域坍縮形成第一顆恆星,更不用說形成星系和星系團,這將花費更多的時間。那麼黑洞呢?關於黑洞就有這麼一個問題:宇宙誕生時就創造了黑洞,還是黑洞也需要等上幾百萬年的時間才能在引力的作用下形成?這個問題很關鍵,它能告訴我們宇宙是否充斥了大量的微型黑洞!

目前關於黑洞有兩種已知的類型。一種類型是,一些8倍或者幾十倍太陽質量的恆星,死亡後會在其核心留下一個幾倍或幾十倍太陽質量的小黑洞!也是最常見的黑洞形式!

像這樣的小黑洞,在銀河系中有大量的候選體,用紅色表示如下圖所示。這些黑洞所能提供的引力也遠遠不夠暗物質帶來的效果!

另外一種類型就是更大質量的黑洞。這種黑洞的範圍從太陽質量的數千倍(上圖紫色的)到星系中心的超大質量黑洞(藍色的)。而超大質量黑洞的質量可以是太陽質量的數百萬倍(銀河系的400萬倍)也可以是太陽質量的數十億倍(M87的65億倍)。我們所知的每個大星系的中心都有一個超大質量的黑洞。除了這些已知的黑洞,還不足以解釋星系的引力質量和光度質量之間的差異!

以上兩種黑洞類型以被科學界普遍接受,但還有一種類型偶爾也會引起一些關注:微型黑洞!這種黑洞的質量比單個恆星要小,但卻比一座山的質量大(否則它們早就蒸發掉了),這些微型黑洞可能散布在整個宇宙,包括我們的星系,被推測是暗物質的一個重要組成部分。

微型黑洞是否存在?

微型黑洞的想法是在20世紀70年代和80年代發展起來的,現在我們對宇宙的了解比那時肯定多得多。那麼當宇宙剛誕生的時候,需要怎樣的條件才能誕生這些微小的黑洞?這個想法是否可行?

如果想讓物質在空間的任何區域發生引力坍縮,創造出任何結構,甚至是黑洞,宇宙就需要在微小的區域內有足夠大的能量密度來克服宇宙的膨脹。根據我們對結構形成的理解,一旦某一區域的能量密度比平均水平高出約68%,就會發生失控坍塌,科學家們稱之為非線性結構形成。

所以,如果想讓宇宙在誕生初期就創造出微型黑洞,就需要空間的許多微小區域的能量密度比平均能量密度高出68%。那麼宇宙是否有這樣的條件呢?

上圖顯示了宇宙大爆炸微波輻射中的溫度波動,或者說偏離平均溫度的情況。我們今天看到的平均溫度是2.725開爾文。所以,如果存在溫度在4k左右的區域,和溫度在1k左右的區域,那麼在大爆炸後很短的時間內就會形成微型黑洞,並且大量的充斥在宇宙空間中!

那麼來自宇宙誕生後38萬年的溫度波動是如何隨著尺度的變化而變化的?

根據對微波輻射波動的測量,實際的溫度波動遠沒有達到開爾文溫標;最多是幾十到幾百個微開爾文,而且觀察的尺度越來越小,波動也會變得越來越小,只比平均水平高出了0.003%。

總結:就目前來看,黑洞和暗物質沒啥關係

所以,微型黑洞的想法很好,但它並不存在於真實的物理宇宙。而黑洞和暗物質的唯一一點聯繫也就斷了,事實也證明我們的宇宙中只存在典型的黑洞,宇宙大爆炸並沒有創造出微型黑洞!

綜上對黑洞的分析,我們就可以知道,它和暗物質真的一點關係都沒有!至少目前來看是這個樣子的!

相關焦點

  • 大爆炸是否創造了大量的微型黑洞?
    而宇宙中也有一些質量很大,體積又小,還不放光的物體,那就是黑洞!那麼宇宙中是否存在大量的微型黑洞?而這些原始微型黑洞就充當了暗物質的作用?首先我們了解下宇宙有沒有條件在誕生是創造這些微型黑洞!微波輻射中大小尺度下的溫度波動我們關於宇宙的最早的照片是在宇宙還非常年輕的時候拍攝的:那時宇宙只有38萬年的歷史!
  • 暗物質由大爆炸的微型黑洞組成?
    暗物質是宇宙中神秘的「額外質量」,它不會發出光,諸多特性一無所知,有可能是由宇宙大爆炸產生的原始黑洞構成嗎?這些迷微型黑洞可以感謝希格斯玻色子的誕生——至少根據一種新理論。更重要的是希格斯粒子的質量意味著在宇宙早期膨脹過程中,當物質在大爆炸後立即向外擴散時,不穩定的希格斯場就經歷了量子漲落,在這一領域的不同區域存在著不同密度的物質。根據這項新研究,這些波動使得小塊空間的密度如此之高,以至於坍縮成一個黑洞。這些小型微型黑洞質量大約為22萬億磅(10萬億公斤),或者是珠穆朗瑪峰的質量。這個理論在很多層面上都有吸引力:暗物質不發射可探測的光,也不「黑」。
  • 暗物質是由大爆炸的微型黑洞組成?
    暗物質是宇宙中神秘的「額外質量」,它不會發出光,諸多特性一無所知,有可能是由宇宙大爆炸產生的原始黑洞構成嗎?這些迷微型黑洞可以感謝希格斯玻色子的誕生——至少根據一種新理論。這個理論在很多層面上都有吸引力:暗物質不發射可探測的光,也不「黑」。而原始黑洞如果存在的話,可能是物理證據,證明希格斯場不是處於最低能量,而是處於準穩定狀態。新理論也可以解釋暗物質,而不需要任何超越標準模型的新物理學,它描述了微小亞原子粒子的行為。然而如果這些原始黑洞確實存在,物理學家將如何找到它們?今天看起來會像140億年前出生時的樣子嗎?
  • 大量原始的原初黑洞充斥在宇宙中,也許是暗物質的主要組成部分
    黑洞也許並不是都是像銀河系中心的超大質量黑洞那樣的龐然大物,達到了400萬個太陽質量。新的研究表明,我們的宇宙中可能充滿了古老的小黑洞。 這些來自宇宙誕生之初的微型黑洞,即原初黑洞(PBH)。研究人員提出它們是暗物質的一種潛在可能性,暗物質是一種看不見的物質,會在整個宇宙空間內施加引力。
  • 暗物質是如何存在於宇宙中 他與黑洞有關係嗎?
    這一刻我們來談談暗物質和暗能量。宇宙中可見物質為4%暗物質和暗能量佔去了96%,那麼問題來了在浩瀚無垠的宇宙中有那麼多暗物質要把物質有多少?大約是20%即二能量大約是70%,你可以加到一起加一加可見物質也就是說我們身體中的物質。
  • 原始黑洞是否可能是暗物質?
    黑洞是一種優雅、簡潔的天體,但在大眾的想像中,它們有時會顯得十分可怕。在許多方面,它們就像一個理想的黑體(能吸收全部外來電磁輻射,沒有任何反射和透射的物體),使得我們很難估計宇宙中存在多少黑洞,以及它們的大小。因此,2015年9月,當雷射幹涉儀引力波天文臺(LIGO)的探測器第一次探測到引力波時,的的確確給物理學界帶來了驚喜。
  • 宇宙是否存在負質量物質,它們會是暗物質和暗能量嗎?
    現在科學家利用各種地面和空間望遠鏡,發現了無數的星球、星系,以至更大尺度的星系團等等宇宙結構。但你是否有想過我們肉眼看不到的是什麼?現在科學家認為,宇宙中所有可見物質其實只佔有整個宇宙的5%左右,而那95%無法探測的東西被稱為暗物質和暗能量。
  • 宇宙中是否真的有暗物質?暗物質必須存在
    的確,暗物質的確是一種神秘的存在,即使是相對於奧妙無窮的宇宙而言,暗物質的神秘色彩仍然是眾多宇宙物質的佼佼者。暗物質之所以如此神秘,就在於其看不到,摸不著,從來也沒有被任何方法觀測到。可以說,暗物質的誕生源於假象,而存在也依賴於假象,那麼,這種假象的事物是否真實存在於宇宙之中呢?是的,它真實存在,它也必須存在。
  • 物理學家在微小的原始黑洞中尋找暗物質
    在當晚拍攝的188張相對平淡的星系圖像中,發現了候選黑洞事件成了最耀眼的事件。」當沿著視線右移時,光線會繞著黑洞彎曲。「加州大學洛杉磯分校和卡夫利宇宙物理與數學研究所的天體物理學家亞歷山大·庫森科(Alexander Kusenko)在視頻通話中說,」不僅光線指向你,而且這些光還會向你彎曲繞行。這使星星瞬間顯得更亮,這是有點違反直覺。
  • 什麼是暗物質,宇宙是否存在整個暗區?
    什麼是暗物質?暗物質是一種神秘的非發光物質,構成了宇宙中絕大多數物質。儘管數十年來專家一直觀察到暗物質的引力效應,但科學家對其暗色的真實性質仍感到困惑。他在當年發表在雜誌上的一篇論文中寫道:「如果能夠證實這一點,我們將得到令人驚訝的結果,即暗物質的含量遠大於發光物質。」 但是直到1970年代,天文學家肯特·福特和維拉·魯賓對鄰近的仙女座星系外圍區域的恆星進行了詳盡的研究之後,這些恆星以太快的速度繞銀河系軌道運行,幾乎就像某種不可見的物質在引力上拉動它們並推動它們前進一樣-科學家很快在整個宇宙的星系中注意到了這一現象。
  • 旅行者一號傳回重要信息,證實暗物質並非黑洞,這下科學家更頭疼
    長久以來,雖然我們不斷地研究宇宙,但是宇宙中仍然有著無數奧秘困擾著我們。其中有一個問題科學家一直搞不懂的是,黑洞到底是什麼? 為了更加了解我們身處的太陽系,從20世紀開始,美國航天局就向太空發射了多艘天文探測器,而旅行者一號可以說是太空探測的最大功臣。
  • 宇宙驚悚事實:微型黑洞竟無處不在!
    不論它們有多重,大部分黑洞都還沒有這句話長。如果這聽起來像科幻小說,那麼它有可能確實是科幻小說,但它也有可能不是。天體物理學家們已經沒多少選擇來解釋宇宙的大部分組成為何。他們知道宇宙百分之八十由暗物質組成,它們給其它百分之二十的正常物質施加引力影響,然而八十多年來科學家們在實驗中從未找到過它們的身影。  無數尋找暗物質的努力到目前為止也只是徒勞而已。
  • 宇宙中的暗物質可能是由黑洞組成的嗎?
    黑洞仍因其質量而產生重力影響,就像宇宙中所有其他的大質量物體一樣。由此實際上我們可以發現並測量黑洞的質量,通過觀察周圍物質對它的影響。例如位於銀河系中心的超大質量的黑洞有強引力使得離他軌道很近的恆星高速運行。依據這個事實以及描述恆星軌道的等式,我們可以估算出黑洞的質量。我們知道暗物質存在在星系中因為遠離宇宙中心的旋轉曲線是平的。
  • 神秘的宇宙森林:原始黑洞或能揭示暗物質本質!
    類星體是宇宙中最明亮的天體大爆炸後不到一秒鐘,宇宙可能誕生了大量原始黑洞,質量是太陽的50倍。在進行一項新研究時,科學家分析了這些極端遙遠類星體放射的光線與宇宙網之間的交互。宇宙網是一個由氣體和暗物質「絲線」構成的網絡,遍布宇宙的每一個角落。
  • 暗物質由迷你黑洞組成?
    暗物質是什麼?很多個人、國家以及國際機構對此都有深入研究,或合乎情理或匪夷所思的解釋時有冒出,但終究還是沒有一個真正令人信服的解釋來說明它到底是什麼。不過,最近一種較為新穎的解釋引發廣泛關注:暗物質是由大爆炸誕生原始迷你黑洞組成。
  • 暗物質是由來自另一個宇宙的微小黑洞製造的嗎?
    暗物質可能是由偽真空氣泡成核時在初期產生的微小黑洞構成的,偽真空氣泡在無限短暫的宇宙急劇膨脹期間產生了質量小於月球質量的嬰兒宇宙。如果是這樣,一組科學家認為,這可以解決關於宇宙的一些令人困惑的難題,包括暗物質、引力波源以及對仙女座星系所做的奇怪觀測。實際上,我們在宇宙中看到的那種由電子,中子,質子和其他粒子組成的物質實際上很少。
  • 理論物理所在原初黑洞暗物質研究中取得進展
    宇宙學和天文學觀測表明,宇宙中存在大量的暗物質,約佔宇宙全部物質的85%。不同於其他約佔15%的普通物質,暗物質的本質依然是當前基礎物理中最大的謎團之一。儘管弱相互作用大質量粒子(WIMP)被認為是暗物質的一個重要的候選者,但是大量的實驗觀測都沒有發現它們存在的證據。相反地,它們賴以存在的理論參數空間正在被迅速壓縮。原初黑洞最早由霍金以及卡爾在上世紀七十年代初提出。
  • 原始黑洞可能是暗物質?
    黑洞是一種優雅、簡潔的天體,但在大眾的想像中,它們有時會顯得十分可怕。在許多方面,它們就像一個理想的黑體(能吸收全部外來電磁輻射,沒有任何反射和透射的物體),使得我們很難估計宇宙中存在多少黑洞,以及它們的大小。因此,2015年9月,當雷射幹涉儀引力波天文臺(LIGO)的探測器第一次探測到引力波時,的的確確給物理學界帶來了驚喜。
  • 「旅行者1號」再立新功 或排除暗物質是微型黑洞假說
    黑洞通常被認為是大質量恆星內部停止核燃燒、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恆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恆星坍縮形成的黑洞不同。
  • 科研人員在原初黑洞暗物質研究中取得進展
    中國科學院理論物理研究所研究員黃慶國等在伴隨原初黑洞形成而產生的誘導引力波的理論研究和觀測數據分析方面取得了一系列進展。  宇宙學和天文學觀測表明,宇宙中存在大量的暗物質,約佔宇宙全部物質的85%。不同於其他約佔15%的普通物質,暗物質的本質依然是當前基礎物理中最大的謎團之一。