現代技術正在完善史蒂芬霍金的黑洞理論

2020-12-03 五味咋成的日子

史蒂芬·霍金關於暗物質的最著名的理論之一,這種神秘而無形的物質是由原始的黑洞組成的,最近遭受了巨大的打擊。而這一打擊來自一個巨大的望遠鏡,所做一次拍攝整個星系的圖像。雖然調查結果並沒有完全否定霍金的觀點。但他們認為,原始黑洞必須非常小才能構成暗物質。

暗物質之謎

暗物質是物理學家用來解釋一系列神秘現象的:宇宙中的一切都在有軌道的移動、旋轉,這一過程中應該有遠大於觀測質量的更多的物質在起作用。

暗物質的解釋範圍從稱為中微子的幽靈粒子到未知粒子,再到新的物理定律。在20世紀70年代,史蒂芬霍金和他的同事推測,大爆炸可能會產生大量相對較小的黑洞,每個黑洞的大小與質子相當。這些微小的,古老的黑洞很難看到,但會對其他物體施加很大的引力,這便是暗物質的兩個已知屬性,個體微小,引力巨大。

以前,這個理論只能測試比月亮更重的原始黑洞。但隨著技術的進步,科學家們已經能夠拍攝出更清晰的外太空圖像。位於夏威夷的斯巴魯望遠鏡上的Hyper Suprime-Cam(HSC)數位相機是一種先進的成像技術,可以一次拍攝整個仙女座星系(我們自己最近的星系)的照片。Masahiro Takada和他在日本Kavli物理和數學研究所的團隊使用這臺相機搜索原始黑洞;他們的研究結果發表在本月早些時候的「自然天文學」雜誌上。

然而不發光,超級大質量的黑洞,就像M87那樣,被明亮的熱物盤所環繞。然而,原始黑洞的數量小了數十億倍,周圍沒有可見的發光物質,尋找小黑洞意味著尋找強大的引力場彎曲光線的地方即被稱為微透鏡效應。

隨著時間的推移,望遠鏡通過拍攝許多不同的恆星照片來發現微透鏡黑洞。在那顆恆星前面經過一個黑洞會扭曲它的光線,使它閃爍,黑洞越小,閃光越快。「,『微透鏡'閃光的時間尺度就像幾個月或一年。但他們所尋找的原始黑洞質量很小,大約是月球的質量。這意味著他們的閃光會短得多。高田說,HSC是「獨一無二的」,因為它讓他們立刻拍下仙女座星系中所有恆星的圖像,

在一個晴朗的夜晚,高田和他的團隊在7個小時內拍攝了大約200張仙女座星系的照片。他們發現了一個潛在的微透鏡事件。高田說,如果原始黑洞是構成暗物質的重要部分,他們應該看到大約1000個微透鏡信號。

霍金的理論真的死了嗎?根據伯德和高田的說法,並非如此,他們說,某些原始黑洞仍然沒有被完全淘汰。伯德說:「仍有一些黑洞的約束力很弱,大約20-30太陽質量。」,「那些仍然可能是暗物質的1%到10%……並且還有一個低質量的窗口,就像一個非常小的小行星的質量。」

「我們的物理學家非常興奮,因為還有一扇窗戶,」高田說。數據不能排除那些微小的黑洞,因為那些黑洞的閃光太短,「所以我們需要考慮另一種方法來做到這一點。」

然而,在他們的調查中發現了一個「閃光」。雖然這是一個單一的初步結果,但它最終可能非常重要:第一次發現原始黑洞,這將是對霍金一些工作的開創性驗證。

「只有一個觀察結果並不令人信服,」高田說。「我們需要更多的觀察來證實。如果真的是一個原始的黑洞,我們應該繼續找到相同的東西」,因為他們繼續使用HSC來尋找更多的微透鏡。

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