宇宙膨脹過程中形成的「小宇宙」,可能孕育最原始的黑洞

2021-01-07 澎湃新聞

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。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。

為研究原始黑洞，來自Kavli IPMU的粒子物理學家、宇宙學家和天文學家從宇宙早期演化入手，尋找利於黑洞形成的條件。

按宇宙膨脹論，在宇宙膨脹這一快速擴張階段，早期星系和星團開始演化，與此同時，許多「小宇宙」誕生，這些真空氣泡很可能是不同於現存宇宙的存在，其相對較小的體積釋放出的巨大能量很可能導致黑洞產生。

對體量更大的「小宇宙」而言，如果其大小處於某個臨界值，按照相對論，「小宇宙」可從內外兩種角度觀察。若在其內部，觀察者可將其視為正在擴張的宇宙，若在其外部，觀察者可將其視為黑洞。無論何種角度，研究者都可將「小宇宙」視為黑洞產生的雛形，它將多個宇宙的基本結構隱藏在事件視界之後。

此前，研究小組在《自然—天文學》上介紹了原始黑洞觀測的候選事件。在《物理評論快報》上，研究團隊描述了原始黑洞形成的一種新的可能。

研究小組用位於夏威夷的昴宿星團望遠鏡及其搭載的第二代超廣角主焦點照相機（HSC）展示了多個「小宇宙」場景中的觀測數據。如果一個原始黑洞穿過恆星星系，抵達一顆望遠鏡視線內的恆星，黑洞引力會使光線彎曲，使該恆星在短時間內比往常更亮。根據恆星變亮的持續時間，可以測算出黑洞質量。藉助HSC，人類有能力同時觀測上億顆恆星，從而「廣撒網」，找尋那些正在穿越星系的原始黑洞。目前，研究團隊正在展開新一輪觀察、擴大搜索範圍，以進一步驗證相關結論。

研究團隊還展示了HSC的觀測數據，其中一些觀測對象與雷射幹涉引力波天文臺觀察到的超大質量黑洞的雛形重合。

一系列數值研究表明，如果能確定HSC的觀測對象是暗物質的主要來源，那麼進一步的光學勘測及研究可為原始黑洞的形成機制提供更多論據。

（原標題 「小宇宙」可能孕育最原始的黑洞）

相關焦點

  • 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。
  • 原始黑洞或可證明「多元宇宙」理論
    據「phys.org」網站12月28日報導，在日本東京大學卡弗裡宇宙物理和數學研究所中（Kavli IPMU），一個由粒子物理學家、宇宙學家和天文學家組成的國際研究團隊在尋找「原始黑洞」（primordial black hole，簡稱PBH）時取得了理論及觀測等多方面進展。相關研究論文刊發在《物理評論快報》雜誌中。
  • 用光學望遠鏡從多元宇宙探索原始黑洞
    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。
  • 我們的宇宙是黑洞孕育的嗎？
    在我們的儀器可能檢測到的最遠距離處，我們可以看到各個方向上約有460億光年的距離。如果您將整個可觀測宇宙中所有這些形式的所有能量加起來，則可以使用愛因斯坦最著名的關係得出宇宙的等效「質量」：E =mc²。
  • 暗物質或源於原始黑洞:後者誕生於大爆炸後的「嬰兒宇宙...
    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。
  • 宇宙的孕育、誕生、膨脹、收縮、死亡循環，無，就是死亡、孕育期
    宇宙膨脹在宇宙全部物質，往宇宙中心收縮的過程中，奔向中心的速度會越來越快，各天體相互猛烈碰撞，因劇烈爆炸、磨擦產生越來越高的溫度，依次往小排是：星系團-星系群-星系……最小有組織結構的物質是原子。，宇宙黑洞只剩最基本粒子的時候，便是這輪宇宙死亡之時。
  • 宇宙中原始黑洞真的是巨大的重力嗎?
    國外天文學家不了解宇宙中最大黑洞的起源。這些黑洞在宇宙學記錄中出現得如此之早，我們可能不得不調用新的物理學來解釋它們的外觀。 新的研究提出了一個有趣的想法：第一個黑洞不是來自恆星，而是來自一團超級的粒子，假設粒子，被稱為重力，設法生存在大爆炸的第一個混亂的時期。
  • 淺說黑洞:宇宙中的特殊天體黑洞是如何形成的?
    如果殘留物的質量超過大約3-4倍太陽質量（託爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限），或原始恆星非常重（大質量），又或者殘留物通過物質吸積收集了額外的質量，甚至是中子的簡併壓力也不足以阻止坍縮。沒有已知的機制（除了可能的夸克簡併壓力，見夸克星）足以阻止內爆（向心壓擠），物體將不可避免地坍縮而形成黑洞。
  • 宇宙黑洞
    結論: 從公式 (6d) and (7)可見, 一旦一個黑洞形成了,不管它是增多或減少其質量,或甚至與其它黑洞相碰撞,它仍然是一個黑洞，在它最後收縮成為10-5g的最小黑洞(MGBH)而消失前,它將永遠是一個黑洞.[1][2]IV. 我們宇宙一直就是一個真實的宇宙黑洞 (UBH).
  • 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。
  • 宇宙大爆炸後,最初期形成的黑洞還是恆星?
    從光子的整體分布來看，高能量光子（γ射線）雖然只佔光子的很小份額，但在數量上依然比原子核多得多。因此，在那種狀態下，即使有原子核的形成，也很快會因高能光子的衝擊而被破壞。隨著宇宙的膨脹，光子的能量持續下降，氘（重氫）的合成開始加速，進而合成氦原子核。那麼，構成地球以及我們人類身體的元素到底是在何處形成的呢？比碳元素更重的元素得以高效合成的場所就是恆星。
  • 宇宙大爆炸後第一個超大型黑洞是如何迅速形成的?
    想像一下宇宙處於嬰兒期。大多數科學家認為時空起源於宇宙大爆炸。宇宙從那個又熱又密的開始膨脹和冷卻，但過了一段時間恆星和星系才開始點綴天空。直到大爆炸後38萬年，原子才聚集在一起，並以氫氣為主充滿宇宙。當宇宙只有幾億歲的時候，這些氣體聚合成最早的恆星，形成星系團聚集成星系，其中最古老的出現在宇宙誕生後4億年。
  • 宇宙中可能存在白洞，讓我們的宇宙從多元宇宙「泡沫群」中誕生
    奇點的無限小的點（不過密度無限大），而大爆炸則導致了它的膨脹成為了我們認知中的宇宙。，宇宙形成初期膨脹速度很快，這樣的話宇宙背景圖上的溫度、能量密度波動應該是均勻的。圖中的密度分布很像泡沫，於是就誕生了「泡沫」假說。這個理論認為宇宙初期就像泡沫，它們能膨脹成為如今宇宙，這麼說多元宇宙是可能存在的並在不斷孕育新的宇宙。
  • 宇宙中的物質從何而來?為何大爆炸之後,宇宙中會形成各類元素?
    我們生存在地球之上，地球與無數的星球一起，生活在宇宙之中。宇宙是怎麼來的呢？科學家經過研究後告訴我們，宇宙中的一切都來自於一場大爆炸，雖然這也只是諸多猜想中的一個，但是卻深入人心。大約150億年之前，一個體積無限小、密度無限大、溫度無限高的點出現了，這個點就是科學家們口中的「奇點」，然後在137億年之前，奇點爆炸宇宙誕生，時間和空間的概念也隨之出現。伴隨著宇宙大爆炸，宇宙開始迅速的膨脹，最先出現的是光子、電子、中微子、質子和中子。
  • 原始黑洞可能是暗物質?
    在整個宇宙中，原始黑洞可能會以不同的團塊聚集，相對較大的黑洞被小得多的黑洞包圍在最初的十萬分之一秒左右之後，宇宙冷卻了一些，等離子體中的鬆散夸克和膠子得以結合在一起，形成更重的粒子。當一些閃電般快速運動的粒子被束縛在一起時，壓力也隨之下降。這可能有助於更多的區域坍縮成黑洞。但在20世紀90年代，沒有人對夸克和膠子流體的物理學有足夠的了解，因此無法準確預測這種轉變將如何影響黑洞的產生。
  • 最大的黑洞可能是宇宙本身嗎?
    這個無釐頭的言論其實被不少科學家認同，在人類探索宇宙的過程中，對宇宙的起源進行了很多猜測，也用數學和物理知識建立了許多「宇宙模型」，黑洞宇宙模型就是其中一個。 現在最被認可的宇宙模型是「大爆炸宇宙模型」，也就是基於大爆炸理論建立的宇宙模型，哈勃定律的發現證明了我們的宇宙在不斷膨脹，曾經的靜態宇宙模型被打破，宇宙在不斷膨脹這個觀點開始深入人心。
  • 黑洞也有種類——宇宙中的三種黑洞!
    射向黑洞的光不管有多強，都會被黑洞全部吃掉，不會有一點反射，洞裡依然是黑的。如今，科學家對黑洞的認識也更加深入了。現在的說法是，黑洞是愛因斯坦在20世紀初期創立的引力理論——廣義相對論——所預言的一種特殊天體。看不見的黑洞和看得見的宇宙之間有個界限，人們叫它視界。天文學家猜測。正在收縮的恆星還會繼續收縮，直至收縮到無限小和無限密的點為止。那個點叫奇點。
  • 研究：由暗能量形成的奇異天體可能在推動宇宙膨脹
    據外媒報導，宇宙在膨脹，而且膨脹還在加速，但究竟為什麼會發生這種情況以及它是如何發生的還不得而知。有一種假說認為，這種膨脹是由神秘的、由暗能量構成的類似黑洞的物體驅動，現在天體物理學家已經理論化了這些物體是如何對宇宙產生魔力的--以及它們都去了哪裡。
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    據外媒報導，宇宙在膨脹，而且膨脹還在加速，但究竟為什麼會發生這種情況以及它是如何發生的還不得而知。有一種假說認為，這種膨脹是由神秘的、由暗能量構成的類似黑洞的物體驅動，現在天體物理學家已經理論化了這些物體是如何對宇宙產生魔力的--以及它們都去了哪裡。
  • 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。