週一 · 知古通今

|

週二 · 牧夫專欄

週三 · 影片專欄

|

週四 · 觀測指南

週五 · 深空探測

|

週六 · 茶餘星話

|

週日 · 太空探索

對時空漣漪的分析表明，

暗物質

這種神秘物質可能

由太初黑洞組成

。

暗物質可能由古老的黑洞組成。

圖源：Shutterstock

神秘的暗物質具有引力卻不發光，黑洞也是如此，它們的相似之處難免讓人浮想聯翩。一項新的研究表明，暗物質實際上可能是由宇宙誕生之初形成的大量古老的黑洞組成。

這可不是空穴來風，透過分析由黑洞和中子星之間兩次遠距離碰撞產生的引力波，研究人員得出了該結論。

在2019年，華盛頓州和路易斯安那州的鐳射干涉儀引力波天文臺（LIGO）以及義大利比薩附近的室女座引力波探測器探測到了GW190425和GW190814兩個引力波訊號。這兩個時空漣漪是由1。7~2。6倍太陽質量的黑洞和一個較小的中子星碰撞產生。

但每一次的碰撞，將使其中一個天體成為天體物理學家所說的太陽質量黑洞——其質量大致相當於太陽質量。

這項研究的首席研究員，加州大學洛杉磯分校的沃洛迪米爾·塔克史托夫（Volodymyr Takhistov）說：“太陽質量黑洞非常神秘，它們是傳統天體物理學無法預估的。” 例如超新星或恆星爆炸，使大質量恆星坍縮成黑洞。

與傳統觀念不同，作者在2月16日發表在《物理評論快報》上的論文中提出，這些太陽質量黑洞可能是大爆炸期間產生的“原初”黑洞。塔克史托夫說，它們可能是在中子星演化為黑洞之後形成的，也有可能是在吞噬了原始的黑洞或者在吸收了某些的暗物質之後形成的。

1

太初黑洞

星際穿越電影中黑洞卡岡圖雅劇照。

如果太初黑洞存在的話，它們很可能產生於大約137。7億年前大爆炸的第一秒鐘。它們可能大小不一——最小至微觀尺度範圍，最大達到數萬倍太陽質量。

計算表明，最小的黑洞透過霍金輻射發射量子粒子，到現在已經“蒸發”殆盡了。因此，如今依舊存在著的太初黑洞質量都大於10^11 kg（約為一顆小行星的質量）。

一些天體物理學家認為，如果它們確實存在，那麼這些古老的黑洞可能會構成位於星系邊緣的巨大“暗物質”暈。

研究人員想知道他們能否區分原始黑洞與中子星形成的黑洞。

據天體物理學家估算，小於五倍太陽質量的恆星坍縮後會形成超質密的中子星，其質量與我們的太陽差不多，同時被壓縮成一個城市大小的球體。

根據這個理論，一些引力巨大的中子星會不斷捕獲暗物質粒子；同時這項新研究表明，它們巨大的引力最終將會使其和暗物質一起坍縮成一個黑洞。

這項研究還提出了另一種可能：中子星可能捕獲到一個小型太初黑洞並與之合併。該黑洞固定在中子星重心處，不斷吞噬周圍的物質，直到只剩下黑洞為止。

2

引力波

雙星合併時產生的引力波概念圖。

塔克史托夫和他的同事推測，由中子星演化形成的黑洞必須遵循原始中子星的質量分佈，而這又取決於其母星的大小。

考慮到這一點，研究者查看了迄今為止大約50個引力波的探測資料，發現只有GW190425和GW190814兩個質量合適的觀測物件為太初黑洞。

而這項研究並非是結論性的：這兩次碰撞仍有可能涉及到同樣是這個質量的中子星，或者是由這種大小的中子星演化而來的黑洞。論文作者補充道，理論上來說，存在於宇宙中的中子星的質量分佈使得這種可能性不大。

“我們的工作推動了瞭解太初黑洞起源及其與暗物質的關係的研究，”塔克史托夫說，“特別的是，這項研究表明，明顯重於約1。5倍太陽質量的黑洞極不可能因中子星的破壞而被‘轉化’成黑洞。”

如果真是這樣的話，則表明原始黑洞可能確實存在，並且它們可能是暗物質的組成部分。

塔克史托夫說，隨著引力波探測的深入，相關的研究方法會變得更加精確：“這項研究本質上屬於統計學範疇，所以收集更多的資料將有助於我們更好的探索和理解。”

牧夫新媒體編輯部

『天文溼刻』 牧夫出品

微信公眾號：astronomycn

黃道之夜

圖源：Jean-Francois Graffand

謝謝閱讀