黑洞被排除为宇宙中缺失的暗物质

any941

在2015年探测到黑洞碰撞产生的引力波之后，一些天文学家们曾一度希望，宇宙神秘的暗物质可能是由散布在宇宙各处的大量黑洞组成，加州大学伯克利分校的物理学家们已经打破了这些希望。根据对截至2014年发现的740颗最亮超新星的统计分析，以及它们都没有被隐藏的黑洞“引力透镜”放大或变亮这一事实，研究人员得出结论，原始黑洞所占宇宙暗物质的比例不超过40%。原始黑洞只有在宇宙大爆炸后的第一毫秒内才能形成，因为宇宙中质量集中的区域，其质量是太阳的几十倍或数百倍，塌陷成直径一百公里的物体。

结果表明宇宙的暗物质中没有一个是由沉重的黑洞组成，也没有任何类似的物体，包括巨大的致密晕体，也就是所谓的MACHOs。暗物质是天文学中最令人尴尬的难题之一：尽管暗物质占宇宙物质的84.5%，但没有人能找到它。提出的暗物质候选粒子质量跨度接近90个数量级，从轴子这样的超轻粒子到大质量粒子。一些理论家提出了暗物质存在多种类型的假设。但是如果暗物质由几个不相关的成分组成，每一个都需要对其起源做出不同的解释，这使得模型非常复杂。

超新星(左下方的亮点)和它的寄主星系(上中心)，就像它们被中间的黑洞(中心)引力透镜化时的样子。黑洞的引力场扭曲并放大了图像，使星系和超新星都变得更加明亮。如果黑洞是宇宙中物质的主要形式，引力放大的超新星就会频繁发生。缺乏这样的发现可以用来限制黑洞的质量和数量。图片：Miguel Zumalacárregui image, UC Berkeley

可以想象这是两种类型的黑洞，非常重和非常轻，或者是黑洞和新粒子。但在这种情况下，其中一个分量比另一个分量重几个数量级，它们需要以类似的数量产生。将从天体物理学发展到真正的微观世界，甚至可能是宇宙中最轻的东西，这将很难解释。该研究小组使用最新的1048颗超新星进行了一项尚未发表的重新分析，该研究将上限削减了一半，至23%的上限，进一步为“暗物质-黑洞”计划关上了大门。加州大学伯克利分校物理学和天文学教授、bccp联席主任uroseljak说：这又回到了标准的讨论。什么是暗物质？事实上没有好的选择，这是对子孙后代的挑战。

暗物质透镜

研究结论是基于这样一个事实，即原始黑洞或任何质量致密的物体，在到达地球的过程中会受到引力的弯曲和放大。因此，引力透镜效应会影响来自遥远Ia型超新星的光线。这些爆炸的恒星是科学家用来测量宇宙距离和记录宇宙膨胀的标准光源。Zumalacárregui对包含在两个汇编中的亮度和距离超新星的数据进行了复杂的统计分析有580个，联合光曲线分析(JLA)目录有740个-根据对这些超新星随着时间的推移而变亮和褪色的观测结果，得出的结论是，8个超新星的亮度应该比预测的要亮0.8个百分点，目前还没有发现这样的亮化现象。其他研究人员也进行了类似但更简单的分析，但没有得出结论性的结果。

但是Zumalacarregui整合了观察所有放大的精确概率，从小到大，以及每一颗超新星的亮度和距离的不确定性。即使是小质量的黑洞（也就是太阳质量的1%）也应该有一些高度放大的遥远超新星，但是没有。无法在一颗超新星上看到这种效应，但当把它们放在一起，做一个完整的贝叶斯分析，就会开始对暗物质施加非常强大的约束，因为每颗超新星都有数量，而且有这么多。分析中包含的超新星越多，距离越远，约束就越紧。来自万神殿目录的1048颗明亮的超新星的数据提供了更低的上限（23%）比新发布的分析结果还要高。

塞尔贾克在上世纪90年代末发表了一篇论文，提出了这种类型的分析，但当人们的兴趣从寻找大型物体MACHOs转向寻找基本粒子，特别是弱相互作用的大质量粒子(WIMPs)时，后续计划就半途而废了。到那时，许多实验已经排除了大多数质量和类型的大石块，使得发现这些物体的希望渺茫。当时，也只发现了少量遥远的Ia型超新星，并测量了它们的距离。在LIGO的观测结果再次提出这个问题之后，Seljak和Zumalacarregui才开始进行复杂的分析来确定暗物质的极限。有趣的是，LIGO事件中黑洞质量是正确的，黑洞还没有被排除在暗物质之外，这是一个有趣的巧合，让每个人都很兴奋，但这只是一个巧合。

本文选自：今日头条