原始黑洞是來自恆星還是是巨大的引力子?

2021-01-18 超級科學通

天文學家不了解宇宙中最大的黑洞的起源。這些黑洞在宇宙學記錄中出現得如此之早,以至於我們可能不得不調用新的物理學來解釋它們的出現。一項新的研究提出了一個有趣的起源故事:第一個黑洞不是來自恆星,而是來自成團的超級異乎尋常,超假設性的粒子,被稱為引力子,它們能夠在大爆炸的最初混沌歲月中倖免於難。


有黑洞,然後有大黑洞。宇宙中最大的黑洞,適當地稱為「超大質量黑洞」(SMBH),位於宇宙中幾乎每個星系的中心。甚至銀河系也有一個,是一個質量為400萬太陽質量的怪物,被稱為射手座A *。在現代宇宙中,巨大的黑洞真是令人讚嘆不已,但是在過去的十年中,天文學家已經揭示出恆星和星系剛出現時超大質量的黑洞的存在,當時宇宙還不到十億年。。

黑洞是如何形成的?

據我們所知,形成黑洞的唯一方法是通過大量恆星的死亡。當他們死後,他們留下了一個黑洞,其質量比太陽大了幾倍。為了達到超級狀態,它們必須與其他黑洞合併和/或消耗儘可能多的氣體,從而堆積了數百萬個太陽質量。這需要時間。很多時間。在早期宇宙中,恆星本身花費了數億年的時間才首次出現。


據我們所知,第一代恆星和星系旁邊是超大質量黑洞。似乎沒有足夠的時間讓這些巨大的黑洞通過通常和慣常的恆星死亡路徑形成,因此出現了一些可疑之處。我們要麼不了解黑洞生長的天體物理學的基本知識(這是完全可能的),要麼是第一個巨大的黑洞實際上是在更原始,更原始的時代中形成的。但是為了做到這一點,創造那些可能出現的第一個黑洞的物理學必須……很奇怪。

重力雙胞胎

多麼奇怪 好吧,很奇怪,它遠遠超出了已知物理學的當前範圍。值得慶幸的是,理論物理學家每天都在努力工作,已遠遠超出已知物理學的當前範圍。這樣的一個例子稱為超對稱性,這是物理學家試圖解釋粒子世界的某些內部工作原理並預測全新粒子的存在的一種嘗試。在超對稱中,標準模型的每個粒子(名稱是我們目前對亞原子領域的最佳理解)都與一個夥伴配對。這種配對的原因是在可能描述自然的數學深處發現了基本的對稱性。


但是這種對稱性被破壞了(通過某些複雜機制的偽裝),因此超對稱性夥伴粒子不會簡單地在世界範圍內漂浮或在我們的粒子對撞機中進入廣闊的入口。相反,由於對稱性的破壞,夥伴粒子被迫具有難以置信的質量,以至於它們只能出現在宇宙中能量最高的反應中。到目前為止,我們尚未在對撞機實驗中找到任何有關超對稱夥伴粒子的證據,但我們仍在尋找。


在進行搜索的過程中,理論家們花了很多時間研究各種模型和超對稱性的可能性。在一個版本中,有一個粒子叫做gravitino。引力子是引力子的超對稱配對粒子,引子本身就是承載重力的假想粒子。gravitino的存在是高度推測性的,並非基於任何現有證據。但是,正如我們將很快看到的那樣,某些引力子的模型賦予它們某些非常特殊的屬性,這些屬性使它們變得成熟,可以播種黑洞的形成。

黑洞似乎就是運行手套

如果要在早期宇宙中製造一些黑洞,則必須克服一些挑戰。早在第一批恆星和星系出現之前,我們的宇宙就被輻射所控制:高能量的光淹沒了宇宙,圍繞著這個事物奔波,並且通常告訴每個人該怎麼做。如果要在輻射主導的時代創建一些隨機的黑洞,則必須快速進行,因為我們宇宙中的那個時代非常混亂。一旦形成了黑洞,就必須保持它們的生命。


黑洞通過稱為霍金輻射的量子力學過程蒸發,而小的黑洞(例如,是通過某種奇異的亞原子過程形成的)可以在消失之前迅速消失,更不用說超大質量了。根據最近在《arXiv》上發表的一篇研究文章,高能量的早期宇宙本來就具有用引力子填充宇宙的恰好條件。由於它們的獨特特性(最引人注目的是它們能夠在重力作用下快速吸引彼此),因此它們可以快速形成微觀的黑洞。


隨著早期宇宙中時間的流逝,黑洞可能會變得足夠大,以至於在屈服於霍金蒸發之前,它們可以充分享受周圍的輻射。一旦輻射消失,它們可能足夠大,可以繼續通過正常的天體物理過程收集物質,為第一個巨大的黑洞提供種子。這是一個主意,但在早期宇宙中,這是我們所擁有的最好的。

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