美国国家航空航天局的罗马太空望远镜任务将如何寻找原始黑洞

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据美国宇航局（Ashley Balzer）：天文学家发现了质量从太阳的几倍到数百亿的黑洞。现在，一组科学家预测，美国国家航空航天局的Nancy Grace Roman太空望远镜可能会发现一类迄今为止尚未被探测到的“羽量级”黑洞。

如今，黑洞要么在大质量恒星坍塌，要么在重物合并时形成。然而，科学家们怀疑，较小的“原始”黑洞，包括一些质量与地球相似的黑洞，可能是在早期宇宙的最初混乱时刻形成的。



这位艺术家的概念采用了一种异想天开的方式来想象原始的小黑洞。事实上，如此微小的黑洞很难形成吸积盘，使它们在这里可见。图像：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心

加州大学圣克鲁斯分校的博士后研究员William DeRocco领导了一项关于Roman如何揭示这些黑洞的研究，他说：“探测地球质量的原始黑洞群体对天文学和粒子物理学来说都是令人难以置信的一步，因为这些物体不可能通过任何已知的物理过程形成。”。一篇描述这一结果的论文发表在《物理评论D》杂志上。“如果我们发现了它们，它将震撼理论物理学领域。”

原始黑洞配方

如今形成的最小黑洞是在大质量恒星耗尽燃料时诞生的。它向外的压力随着核聚变的消退而减弱，所以向内的引力赢得了这场拉锯战。这颗恒星收缩，密度可能会变得如此之大，以至于变成一个黑洞。

但需要一个最小质量：至少是太阳质量的八倍。较轻的恒星将变成白矮星或中子星。

然而，早期宇宙的条件可能允许形成更轻的黑洞。一个重量相当于地球质量的黑洞会有一个视界——撞击物体的不归路点——大约有美国一角硬币那么宽。

就在宇宙诞生的时候，科学家们认为它经历了一个短暂但强烈的阶段，即膨胀，当时太空的膨胀速度快于光速。在这些特殊条件下，密度比周围环境更大的区域可能已经坍塌，形成了低质量的原始黑洞。

虽然理论预测最小的物质应该在宇宙达到目前的年龄之前蒸发，但那些质量与地球相似的物质可能会幸存下来。

发现这些微小的物体将对物理学和天文学产生巨大的影响。

巴尔的摩太空望远镜科学研究所的天文学家凯拉什·萨胡没有参与这项研究，他说：“这将影响从星系形成到宇宙暗物质含量再到宇宙历史的方方面面。”。“确认他们的身份将是一项艰巨的工作，天文学家需要很多说服力，但这是非常值得的。”



斯蒂芬·霍金的理论认为，随着辐射的逃逸，黑洞会慢慢缩小。随着时间的推移，现在被称为霍金辐射的缓慢泄漏会导致黑洞简单地蒸发。这张信息图显示了各种小质量黑洞的估计寿命和视界——撞击物体无法逃脱黑洞引力控制的点——直径。图像：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心

隐藏家园的暗示

观测已经揭示了这样的物体可能潜伏在我们银河系中的线索。原始的黑洞是看不见的，但时空中的褶皱帮助围捕了一些可能的嫌疑人。

微透镜是一种观测效应，因为质量的存在会扭曲时空结构，就像保龄球放在蹦床上时留下的印记一样。任何时候，当一个介入的物体从我们的有利位置漂移到背景恒星附近时，恒星的光必须穿过物体周围扭曲的时空。如果对准特别近，物体可以像自然透镜一样聚焦和放大背景恒星的光。

利用MOA（天体物理学中的微透镜观测）和OGLE（光学引力透镜实验）的数据，独立的天文学家小组发现了出乎意料的大量孤立地球质量物体。

行星形成和演化理论预测了无赖行星的某些质量和丰度——这些行星在银河系中漫游，不受恒星的束缚。MOA和OGLE的观测表明，在银河系中漂移的地球质量物体比模型预测的要多。

DeRocco说：“无法根据具体情况区分地球质量黑洞和流氓行星。”。但科学家们预计，罗曼在这个质量范围内发现的物体数量是地面望远镜的10倍。“罗曼将在统计学上非常有力地区分两者。”

DeRocco领导了一项研究，以确定在这个质量范围内应该有多少无赖行星，以及Roman能在其中辨别出多少原始黑洞。

发现原始黑洞将揭示关于早期宇宙的新信息，并强烈表明早期确实发生了膨胀。这也可以解释科学家们所说的占宇宙质量大部分的神秘暗物质的一小部分，但迄今为止还无法确定。

Sahu说：“这是一个令人兴奋的例子，说明了额外的科学家可以利用Roman在寻找行星时已经获得的数据来做一些事情。”。“无论科学家是否找到地球质量黑洞存在的证据，结果都很有趣。无论哪种情况，这都将加强我们对宇宙的理解。”

Nancy Grace Roman太空望远镜由位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心管理，南加州的NASA喷气推进实验室和加州理工学院/IPAC、巴尔的摩的太空望远镜科学研究所以及由多个研究机构的科学家组成的科学团队参与其中。主要的工业合作伙伴是位于科罗拉多州博尔德的BAE系统公司；L3Harris Technologies，位于纽约罗切斯特；以及加利福尼亚州千橡园的Teledyne Scientific&Imaging。