NASA：原初黑洞與暗物質之間或存在聯繫

" 這個研究旨在將廣泛的理念和觀測結果結合起來以檢驗它們究竟能吻合地多好，令人驚訝的是，匹配程度非常高。" 一位來自 NASA 戈達德的天體物理學家亞歷山大 · 卡什林斯基（Alexander Kashlinsky）說，"如果結果正確，那麼所有銀河系，包括我們自己，就生活在一個由很多質量為太陽的 30 倍的黑洞構成的巨大範圍中。"

2005 年，卡什林斯基帶領一隊天文學家用 NASA 的斯皮策太空望遠鏡來探測一部分天空的紅外線背景光。研究員發現背景光中存在大量斑塊分布，並且認為它可能是由超過 130 億年前，照亮宇宙的第一代亮源的光線聚集造成的。之後的研究證實了天空的其他部分的宇宙紅外線背景輻射（CIB）也有類似的出人意料的結構。

▲這幅來自 NASA 斯皮策太空望遠鏡的圖像展示了大熊座所在天區的紅外視圖

2013 年，另一項研究對比了 NASA 錢德拉天文台探測的同一塊天空的宇宙 X 射線背景輻射（CXB）和紅外線背景輻射。第一代恆星發出的主要是可見光和紫外線輻射，由於空間的膨脹，它們被拉長進入了紅外線波段，所以它們不應該對宇宙 X 射線背景輻射有影響。

然而在宇宙 X 射線背景輻射中低能 X 射線的不規則背景光與宇宙紅外線背景輻射中的斑塊的匹配度很高。我們唯一知道的在這麼廣的能量範圍內都有足夠大的光強的物體就是黑洞。這支研究團隊總結稱原初黑洞在最早期的恆星之間分布一定很普遍，在宇宙紅外線背景輻射的輻射源中佔到了五分之一的比例。

暗物質的本質仍然是天體物理學中非常重要的未解之謎之一。科學家目前更傾向將暗物質解釋為大質量奇異粒子的理論模型，但到目前為止所有研究都沒有成功找到能到證明這些假想粒子真實存在的證據。NASA 目前將研究這個問題作為阿爾法磁譜儀和費米伽馬射線太空望遠鏡任務的一部分。

▲在遮住了所有已知的恆星、星系和人造衛星後，對剩下的圖像進行增強，就得到了不規則的背景光。這是宇宙紅外線背景輻射（CIB）；更淺色指示更亮的區域。CIB 背景光比遙遠未知星系可以解釋的更加不規則，而這種額外的結構被認為是宇宙年齡不到 10 億年時所發射的光。科學家們闡釋說，該背景光可能是由宇宙中形成的第一代明亮天體產生的，包括第一代恆星和黑洞。

" 這些研究提供了越來越靈敏的結果，逐漸減小了參數的搜索範圍，使暗物質無處可藏。" 卡什林斯基說，" 尋找暗物質的失敗帶領我們重燃對原初黑洞——宇宙誕生之初的幾分之一秒形成的黑洞——對暗物質的影響的興趣。"

物理學家們已經提出幾種讓大爆炸千分之一秒後溫度極高，膨脹極快的宇宙能夠形成原初黑洞的方式。在這些機制下，宇宙的年齡越大，可以形成的黑洞越大。而且由於創造黑洞之窗只存在幾分之一秒，科學家們預測原初黑洞的質量範圍很小。

去年 9 月 14 日，位於華盛頓州漢福德及路易斯安那州利文斯頓的激光干涉引力波天文台（LIGO）捕捉到兩個 13 億光年前的黑洞併合所發出的引力波。這是我們第一次探測到引力波也是第一次直接觀測到黑洞。這次的信號為 LIGO 的科學家們提供了有關黑洞質量的信息，它們的質量是 29 和 36 太陽質量，正負約 4 太陽質量。這些值都驚人的大而且相似。

" 依據機制的不同，原初黑洞可能與 LIGO 探測到的黑洞有相似的性質。" 卡什林斯基解釋說，" 如果我們假設是這樣—— LIGO 捕捉到了兩個形成於早期宇宙黑洞的併合，我們可以看到這對我們理解宇宙最終演化的影響。"

如果原初黑洞的確存在，可能與 LIGO 團隊在 2015 年探測到的併合雙黑洞相似。這個計算機模擬以較慢的速率展示了這次併合過程在近處觀察的樣子。黑洞周圍的環叫愛因斯坦環，是由於在雙黑洞正後方的所有恆星發出的光線受到引力透鏡作用被扭曲之後造成的。LIGO 所探測到的引力波並未在視頻中展示，儘管其效應可以從愛因斯坦環中可以看到。向黑洞後方傳播出去的引力波擾動了包括愛因斯坦環在內的星象，甚至使它們在並和已經結束之後仍在環內晃動。如果以真實時間尺度回放的話，這個視頻將只持續 1/3 秒鐘。

在 5 月 24 號發布的天體物理雜誌通訊上，卡什林斯基在他的新論文中分析了如果暗物質是由一些如 LIGO 探測到的黑洞形成將帶來的後果。黑洞扭曲了早期宇宙的質量分布，其所帶來的微小漲落，對幾億年後第一代恆星形成時的宇宙仍造成影響。

在宇宙形成的前 5 億年，常規物質的溫度太高，無法併合形成第一代恆星。暗物質不會被高溫影響，因為不管它的本質是什麼，它主要通過引力產生相互作用。彼此之間的吸引將暗物質聚合，使其坍縮形成小塊，即 " 超小暈 " 結構，這種結構播下了使得常規物質能夠聚集的引力種子。高溫氣體向 " 超小暈 " 塌縮，形成了密度足夠高的能夠自己進一步塌縮形成第一代恆星的氣體團。卡什林斯基證明了如果黑洞與暗物質有關聯，這個過程將會發生得更快，並且即使只有一小部分超小暈得以形成恆星，也能很容易地形成斯皮策得到的宇宙紅外線背景數據上的斑塊。

當宇宙氣體落入 " 超小暈 " 中後，" 超小暈 " 構成的黑洞也會自然而然地捕捉一些氣體。落入黑洞的物質溫度升高，最終射出 X 射線。第一代恆星所發出的紅外線和宇宙氣體落入暗物質黑洞所發出的 X 射線一起導致了宇宙紅外線背景和宇宙 X 射線背景斑塊結構的一致性。

在偶然的情況下，一些原初黑洞會靠得太近而被引力捕獲為雙黑洞系統。在這些雙黑洞系統里的每一對黑洞會在極長的時間裡，發射出引力輻射，軌道能量減少，向內螺旋旋轉，最終與併合為一個更大的黑洞，就像 LIGO 探測到的一樣。

" 未來，LIGO 的觀測結果會告訴我們更多有關宇宙黑洞數量的信息，我們也即將知曉我假設出的景象是否能被證實。" 卡什林斯基說。

卡什林斯基帶領著一個在戈達德的科學團隊，他們即將參與計劃在 2020 年發射的歐洲航天局歐幾里得任務。這個叫 LIBRAE 的項目能夠使天文台精確地探測到產生宇宙紅外線背景的輻射源，並且確定其中由黑洞所產生的部分。（圖片來源：NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky ( Goddard ) ）

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