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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!