新研究挑战黑洞作为暗物质解释

Josiah02

引力波探测器 LIGO 和 Virgo 探测到了大量黑洞，它们的起源是现代天文学最大的谜团之一。一种假设认为，这些物体可能形成于宇宙的早期，其中可能含有暗物质，一种充满宇宙的神秘物质。
华沙大学天文台光学引力透镜实验（OGLE）调查的科学家团队公布了近 20 年的观测结果，结果表明，如此巨大的黑洞最多可能只包含百分之几的暗物质。因此，引力波源需要另一种解释。研究结果发表在《自然》杂志和《天体物理学杂志增刊》上。
各种天文观测表明，我们看得见摸得着的普通物质只占宇宙总质量和能量的 5%。在银河系中，恒星中每有 1 千克普通物质，就有 15 千克暗物质，暗物质不发光，仅通过引力相互作用。
“暗物质的性质仍是一个谜。大多数科学家认为它是由未知的基本粒子组成的，”华沙大学天文台的 Przemek Mr.óz 博士说，他是这两篇文章的主要作者。“不幸的是，尽管经过了几十年的努力，但没有任何实验（包括使用大型强子对撞机进行的实验）发现可能造成暗物质的新粒子。”
自 2015 年首次探测到合并的黑洞产生的引力波以来，LIGO 和 Virgo 实验已探测到 90 多次此类事件。天文学家注意到，LIGO 和 Virgo 探测到的黑洞通常比之前已知的银河系黑洞（5-20​​ 个太阳质量）大得多（20-100 个太阳质量）。
“解释为何这两类黑洞如此不同是现代天文学最大的谜团之一，”Mr.óz 博士说道。
一种可能的解释是，LIGO 和 Virgo 探测器发现了可能在宇宙极早期形成的原始黑洞群。50 多年前，英国理论物理学家斯蒂芬·霍金首次提出了它们的存在，苏联物理学家雅科夫·泽尔多维奇也独立提出了这一观点。
“我们知道，早期宇宙并不是理想的均匀宇宙——微小的密度波动导致了现在的星系和星系团的形成，”Mr.óz 博士说。“如果类似的密度波动超过临界密度对比，可能会坍缩并形成黑洞。”
自首次探测到引力波以来，越来越多的科学家推测，这种原始黑洞可能包含相当一部分（如果不是全部的话）暗物质。
幸运的是，这一假设可以通过天文观测得到验证。我们观察到银河系中存在大量暗物质。如果它是由黑洞组成的，我们应该能够在我们的宇宙邻居中探测到它们。考虑到黑洞不发出任何可探测的光，这可能吗？
根据爱因斯坦的广义相对论，光在大质量物体的引力场中可能会发生弯曲和偏转，这种现象称为引力微透镜。
OGLE 调查首席研究员 Andrzej Udalski 教授表示：“当三个物体（地球上的观察者、光源和透镜）在太空中几乎完美对齐时，就会发生微透镜现象。在微透镜现象期间，光源的光线可能会发生偏转和放大，我们会观察到光源光线暂时变亮。”
增亮持续时间取决于透镜物体的质量：质量越高，事件持续时间越长。太阳质量物体的微透镜事件通常持续数周，而质量为太阳 100 倍的黑洞的微透镜事件则会持续数年。
利用引力微透镜研究暗物质的想法并不新鲜。它最早是由波兰天体物理学家 Bohdan Paczyński 在 20 世纪 80 年代提出的。他的想法启发了三项重大实验的开展：波兰 OGLE、美国 MACHO 和法国 EROS。这些实验的首批结果表明，质量小于一个太阳质量的黑洞可能只占暗物质的不到 10%。然而，这些观测对极长时间尺度的微透镜事件不敏感，因此对大质量黑洞也不敏感，类似于最近用引力波探测器探测到的大质量黑洞。
在《天体物理学杂志增刊》的新文章中，OGLE 天文学家展示了对位于附近星系大麦哲伦星云中的近 8000 万颗恒星进行近 20 年光度监测的结果，以及对引力微透镜事件的搜索。分析的数据是在 2001 年至 2020 年 OGLE 项目第三和第四阶段收集的。
乌达尔斯基教授说：“这组数据集提供了现代天文学史上最长、最大、最精确的大麦哲伦星云恒星光度观测数据。”
第二篇文章发表在《自然》杂志上，讨论了这一发现的天体物理后果。
“如果整个银河系的暗物质由 10 个太阳质量的黑洞组成，我们应该会探测到 258 个微透镜事件，”Mr.óz 博士说。“对于 100 个太阳质量的黑洞，我们预计会有 99 个微透镜事件。对于 1,000 个太阳质量的黑洞，我们预计会有 27 个微透镜事件。”
相比之下，OGLE天文学家只发现了13次微透镜事件。他们的详细分析表明，所有这些事件都可以用银河系或大麦哲伦星云本身的已知恒星群来解释，而不是用黑洞来解释。
“这表明大质量黑洞最多只能构成暗物质的百分之几，”Mr.óz 博士说。
详细计算表明，10个太阳质量的黑洞最多可包含1.2%的暗物质，100个太阳质量的黑洞最多可包含3.0%的暗物质，1000个太阳质量的黑洞最多可包含11%的暗物质。
“我们的观察表明，原始黑洞不可能构成暗物质的很大一部分，同时，这也解释了 LIGO 和 Virgo 测得的黑洞合并率，”乌达尔斯基教授说。
因此，LIGO 和 Virgo 探测到的巨型黑洞需要其他解释。一种假设认为，它们是巨型低金属恒星演化的产物。另一种可能性是，它们是由密集恒星环境中质量较小的物体（如球状星团）合并而成。
“我们的研究成果将在未来几十年的天文学教科书中保留，”乌达尔斯基教授补充道。