新發現!暗物質或源於原始黑洞:後者誕生於大爆炸後的「嬰兒宇宙...

2021-01-08 騰訊網

Kavli研究所(Kavli IPMU)負責許多跨學科項目，這些項目受益於該研究所廣泛的專業知識的協同作用。其中一個項目就是研究可能在恆星和星系誕生之前的宇宙早期就已經形成的黑洞。

這些原始黑洞(PBHs)可以解釋全部或部分暗物質，負責一些觀測到的引力波信號，並為我們星系和其他星系的中心發現的超大質量黑洞播下種子。

它們還可以在重元素的合成中發揮作用，當它們與中子星碰撞並摧毀它們時，釋放出富含中子的物質。

科學家們還提出了一種令人興奮的可能性：即神秘的暗物質，佔了宇宙中的大部分物質，是由原始黑洞組成的。

2020年諾貝爾物理學獎授予了理論學家羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)和兩位天文學家萊茵哈德·根澤爾(Reinhard Genzel)和安德裡亞·蓋茲(Andrea Ghez)，以表彰他們證實了黑洞的存在。由於自然界中存在黑洞，它們是暗物質非常有吸引力的候選者。

在尋找PBHs的基礎理論、天體物理學和天文觀測方面的最新進展是由一個由粒子物理學家、宇宙學家和天文學家組成的國際團隊取得的，包括Kavli IPMU成員Alexander Kusenko、Misao Sasaki、Sunao Sugiyama、Masahiro Takada和Volodymyr Takhistov。

為了更多地了解原始黑洞，研究小組觀察了早期宇宙的線索。早期的宇宙密度非常大，任何大於50%的正密度漲落都會產生黑洞。然而，孕育星系的宇宙學擾動已知要小得多。然而，早期宇宙中的一些過程可能為黑洞的形成創造了合適的條件。

一種令人興奮的可能性是，原始的黑洞可能是從大爆炸膨脹時期創造的「嬰兒宇宙」（baby universes）形成的。這一時期的快速膨脹，被認為是我們今天觀察到的結構的形成原因，如星系和星系團。

在暴脹時期，小宇宙可以從我們的宇宙分支出來。一個小的新生宇宙終會坍塌，但在小體積中釋放的大量能量，會導致黑洞的形成。

更奇特的命運等待著更大的新生宇宙。如果它大於某一臨界尺寸，愛因斯坦的引力理論允許嬰兒宇宙以一種對觀察者來說內外都不同的狀態存在。

內部觀察者將其視為一個膨脹的宇宙，而外部觀察者(如我們)將其視為一個黑洞。無論哪種情況，大宇宙和小宇宙都被我們視為原始的黑洞，它們隱藏在它們的「視界」（event horizons）後面的多重宇宙的基本結構。

「視界」指的是一個邊界，在這個邊界之下，一切事物，甚至是光，都會被困住，無法逃離黑洞。

研究小組在論文中描述了原始黑洞（PBH）形成的新場景，並表明，在夏威夷莫納基亞山山頂4200米的山頂附近，可以使用8.2米斯巴魯望遠鏡的Hyper Suprime-Cam（HSC）找到黑洞，卡夫裡宇宙物理與數學研究所（Kavli IPMU）的管理這種巨大的數位相機發揮了關鍵作用。他們的工作是HSC對PBH搜索的令人興奮的擴展，卡夫裡宇宙物理與數學研究所（Kavli IPMU）的首席Masahiro Takada和他的團隊正在致力於這一搜索。

HSC團隊最近在《自然·天文學》（Nature Astronomy）雜誌上報告了Niakura、塔克希斯託夫等人對原始黑洞存在的主要限制。

HSC具備一種獨特的能力：每隔幾分鐘就能拍攝到整個仙女座星系。如果一個黑洞穿過了其中一顆恆星的視線，黑洞的引力會使光線彎曲，使恆星在短時間內看起來比之前更亮。

恆星變亮的持續時間，會讓天文學家了解到黑洞的質量。基於HSC的觀測，人們可以同時觀測1億顆恆星，為可能跨越視線的原始黑洞撒下一張大網。

HSC的第一次觀測已經報告了一個非常有趣的候選事件，它與來自「多元宇宙」的PBH相一致，其黑洞質量與月球質量相當。

在這第一個跡象的鼓舞下，在新的理論理解的指導下，該團隊正在進行新一輪的觀測，以擴展搜索範圍，並提供一個決定性的測試，以確定來自多元宇宙的PBHs是否能解釋所有暗物質。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考資料：https://scitechdaily.com/all-dark-matter-in-the-universe-could-be-primordial-black-holes-formed-from-the-collapse-of-baby-universes-soon-after-the-big-bang/

相關焦點

  • 宇宙大爆炸後形成的原始黑洞，或許就是由暗物質構成
    看更多大美宇宙科學博科園原始黑洞(PBH)是在宇宙大爆炸後形成的天體，被許多研究人員認為是解釋暗物質本質的主要候選者之一，尤其是在2016年處女座和LIGO探測器直接觀測到引力波之後。現在發表在《物理評論快報》上這項研究的主要作者裡卡多·穆爾賈(Riccardo Murgia)說：我們已經測試了一種場景，其中暗物質由原始宇宙中形成的非恆星黑洞組成。
  • 神秘的宇宙森林:原始黑洞或能揭示暗物質本質!
    科學家進行了一項新研究，將目光聚焦可能在大爆炸後瞬間誕生的原始黑洞。他們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。研究發現原始黑洞或能揭示暗物質的本質。
  • 從「小宇宙」中尋找原始黑洞和暗物質—論文—科學網
    大爆炸後不久，許多小宇宙以黑洞的形式從我們的宇宙中分離出來。（圖片來源：Kavli IPMU） 這一系列研究由東京大學科維理宇宙物理學與數學研究所（Kavli IPMU）的多名成員合作完成，近日，該機構在官網刊文介紹了相關研究始末。 暗物質被視為宇宙的主要組成，人們觀測到的引力波信號、在銀河系或其他星系中心發現的超大黑洞或許都源於暗物質。而在原始恆星和星系誕生前，早期宇宙中就有黑洞形成，這些原始黑洞很可能是暗物質的重要構成。
  • 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。3月23日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)雜誌上的這一理論認為，這些原始黑洞是由在大強子對撞機(LHC)中發現的神秘的「上帝」粒子——希格斯玻色子(Higgs boson)產生的。暗物質是什麼？沒有人真正知道，但一種可能性是由大爆炸的微型黑洞組成。
  • 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。3月23日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)雜誌上的這一理論認為，這些原始黑洞是由在大強子對撞機(LHC)中發現的神秘的「上帝」粒子——希格斯玻色子(Higgs boson)產生的。暗物質是什麼？沒有人真正知道，但一種可能性是由大爆炸的微型黑洞組成。
  • 原始黑洞可能是暗物質?
    英國著名物理學家史蒂芬·霍金提出過一個觀點：看不見的「原始」黑洞可能是隱藏的暗物質。在此之前，最大的恆星黑洞——大質量恆星引力坍縮後形成的黑洞——的質量大約是太陽的20倍；而這些新發現的黑洞都有大約30倍太陽質量，這並非不可思議
  • 原始黑洞是否可能是暗物質？
    在此之前，最大的恆星黑洞——大質量恆星引力坍縮後形成的黑洞——的質量大約是太陽的20倍；而這些新發現的黑洞都有大約30倍太陽質量，這並非不可思議，只是非常奇怪。此外，當LIGO啟動並立即開始聽到這類物體相互融合的信號時，天體物理學家就意識到，一定還有更多的黑洞潛伏在那裡，也許遠遠超過他們的想像。
  • 暗物質是如何產生的?或是由宇宙爆炸後的小型原始黑洞產生!
    對於暗物質的研究研究人員始終沒有形成一個統一的標準，而最新的一種解釋稱或許是大爆炸產生的小型黑洞形成的。暗物質一直我們想要探尋的外太空物質，是存在於宇宙當中的一種神秘物質，它們本身沒有光線，但是它可以存在相當大的引力足以把它周圍的一切物質吸入囊中。
  • 原始黑洞或可證明「多元宇宙」理論
    在大爆炸後不久，小宇宙以黑洞的形式從大宇宙中分離。 PBH在恆星和星系形成之前就已誕生於宇宙。它是部分引力波信號的來源，是孕育出銀河系及其他星系中心超大質量黑洞的種子，還可以在重元素的合成過程中發揮作用。最重要的是，這種天體也許能幫助天文學家對神秘的暗物質做出解釋。為進一步了解原始黑洞，研究小組試圖在早期宇宙中尋找相關線索。他們發現，早期宇宙中許多反應都可能為黑洞的形成創造了合適的條件。
  • 暗物質是由迷你原始黑洞組成?科學家是這樣解釋的
    暗物質是一種我們看不見的物質，目前人類還沒有真正在宇宙中找到暗物質，但科學家相信，暗物質是一定存在的。那暗物質是如何形成的？有科學家認為，暗物質是由宇宙大爆炸誕生的原始迷你黑洞組成。目前，依據最新研究理論表示，這些微型迷你黑洞的誕生可能與希格斯玻格色子有關。
  • 暗物質可能並非難以觀測的粒子，而是誕生自宇宙大爆炸的原初黑洞
    」可能是隱藏著的暗物質。這些新發現的樣本讓一個舊的想法煥發了新的生機，儘管這個想法在過去許多年裡都被忽視了。我們知道，大恆星死亡的時候會產生黑洞。但宇宙大爆炸本身也可能會誕生黑洞。根據宇宙規模的經驗法則可以想到，許多這樣隱藏起來的原初黑洞是由暗物質構成的。畢竟雖然科學家已經找了幾十年，但到現在也沒找到任何暗物質粒子。要是黑洞這個我們所需的配方就在我們眼皮子底下呢？「是的，這個想法很瘋狂。」
  • 研究人員認為暗物質可能由原始黑洞組成
    來自卡夫利宇宙物理與數學研究所的研究人員一直在對可能形成於早期宇宙的黑洞進行研究，這些所謂的原始黑洞被認為是在恆星和星系誕生之前形成的。原始黑洞可能是全部或部分暗物質形成的原因，也是我們銀河系中心和其他地方發現的一些觀測到的引力波信號和超大質量黑洞的成因。
  • 物理學家認為大爆炸中的黑洞可能是暗物質
    這些新質量的太陽質量各約為30個——並非不可想像，而是特別奇怪。此外，一旦LIGO開啟，並立即開始聽到這些類型的天體相互合併，天體物理學家意識到，那裡潛伏的黑洞肯定比他們想像的要多，也許更多。這些奇特的標本的發現使新的想法煥發出了新的生機，這是近幾年被貶低的邊緣。我們知道垂死的恆星會產生黑洞。但是也許在「大爆炸」本身期間也產生了黑洞。這種「原始」黑洞的隱藏種群可能會構成暗物質。
  • 137億年的嬰兒宇宙，真的是從大爆炸中產生的？事實未必如此
    中誕生人們一向認為宇宙是無限的，但事實上科學家們卻發現它是有限的，而且它是有時間起點的，那就是宇宙大爆炸，從而形成了現在的宇宙。黑暗物質佔23%，而暗能量佔73%，令人恐懼。按照宇宙的衍化原理，它也會永遠膨脹下去畢竟現在還只是幼年的宇宙，但像這樣的嬰兒宇宙，其實還是很多的。
  • 物理學家認為大爆炸中的黑洞可能是暗物質
    但是也許在「大爆炸」本身期間也產生了黑洞。這種「原始」黑洞的隱藏種群可能會構成暗物質。畢竟，儘管進行了數十年的搜索，但沒有暗物質粒子顯示出來。如果我們真正需要的成分——黑洞——一直在我們的鼻子底下呢？他計算得出，如果嬰兒宇宙產生足夠的黑洞來解釋暗物質，那麼隨著時間的推移，這些黑洞將成雙系統對，彼此越來越接近，並且以比LIGO觀測到的數千倍高的速率合併。他竭力主張其他研究人員繼續使用替代方法來研究這個想法，但是許多人失去了信心。該論點如此可惡，以至於卡米昂科夫斯基說，這使他對這一假設的興趣大打折扣。但是，現在，在最近的大量論文之後，原始的黑洞想法似乎重新流行起來。
  • 宇宙膨脹過程中形成的「小宇宙」,可能孕育最原始的黑洞
    大爆炸後不久，許多「小宇宙」以黑洞的形式從宇宙中分離。圖片來源：Kavli IPMU本報訊 2020年諾貝爾物理學獎頒給了3位對黑洞研究有重要貢獻的科學家。這之後不久，新的關於黑洞的研究登上了《物理評論快報》，科學家發現，宇宙膨脹過程中形成的「小宇宙」，很可能孕育了最原始的黑洞。這一系列研究由日本東京大學科維理宇宙物理學與數學研究所（Kavli IPMU）的多名成員合作完成，近日，該機構在官網刊文介紹了相關研究始末。暗物質被視為宇宙的主要組成，人們觀測到的引力波信號、在銀河系或其他星系中心發現的超大黑洞或許都源於暗物質。
  • 用光學望遠鏡從多元宇宙探索原始黑洞
    在大爆炸後不久，小宇宙以黑洞的形式從我們的宇宙中分離出來。圖片來源：卡夫利宇宙物理與數學研究所 日本卡夫利宇宙物理與數學研究所利用斯巴魯望遠鏡，尋找了恆星和星系誕生前宇宙中形成的黑洞。相關論文近日刊登於《物理評論快報》。 這些原始黑洞（PBH）可以解釋全部或部分暗物質，甚至一些引力波信號，並為我們星系和其他星系的中心發現的超大質量黑洞播下種子。
  • 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。
  • 物理學家在微小的原始黑洞中尋找暗物質
    研究表明，在宇宙的暗物質之間，可以用原始的黑洞來解釋——假設這個經典宇宙特徵的嬌小和非常古老的版本，這些宇宙特徵在2019年才首次直接成像。所有的黑洞，無論其大小，都是天體，它們會施加巨大的引力，甚至沒有光也無法從它們逃脫。一種想法是，在宇宙剛開始的時候，令人難以置信的密集膨脹宇宙中的微小密度波動就足以從星前等離子體中產生黑洞，特別是如果重粒子通過某種未知力與之相互作用時。