美国国家航空航天局Nancy Grace Roman望远镜将搜寻宇宙大爆炸遗留下来的微小黑洞

拓破天峙

一幅插图显示南希·格雷斯罗马太空望远镜被原始黑洞包围。（图片来源：Robert Lea（与Canva共同创作）/美国国家航空航天局）

据美国太空网（Robert Lea）：黑洞周正在如火如荼地进行，为了庆祝，美国国家航空航天局解释了其下一个主要天文仪器Nancy Grace Roman太空望远镜将如何寻找可以追溯到宇宙大爆炸的微小黑洞。

当我们想到黑洞时，我们倾向于想象巨大的宇宙怪物，比如质量是太阳几十到几百倍的恒星质量黑洞。我们甚至可以想象质量是太阳数百万（甚至数十亿）倍的超大质量黑洞位于星系的中心，并主宰着它们的周围环境。

然而，科学家们推测，宇宙中也可能存在质量远低于地球、质量相对较轻的黑洞。这些黑洞的质量可能与一颗大型小行星的质量一样低。科学家们还认为，这样的黑洞从138亿年前的黎明就已经存在了。

这些黑洞被恰当地命名为“原始黑洞”，仍然纯粹是理论上的，但定于2026年末发射的Roman可能会改变这一点。

加州大学圣克鲁斯分校的博士后研究员William DeRocco领导了一个研究Roman如何揭示这些古老的微小黑洞的团队，他说：“探测一批地球质量的原始黑洞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。”。，他在一份声明中说：“如果我们找到它们，它将震撼理论物理学领域。”

当涉及到事件视界时，质量很重要

有史以来被证实存在的最小黑洞是恒星质量黑洞，它是在大质量恒星耗尽其核心核聚变所需的燃料时产生的。一旦这种融合停止，这些恒星就会在自身引力的影响下坍塌。通常来说，恒星留下恒星质量黑洞所需的最小质量是太阳的八倍——任何更轻的黑洞，恒星都将以中子星或闷烧白矮星的形式结束生命。

然而，宇宙诞生之初的条件与现代截然不同。当宇宙处于高温、稠密和湍流状态时，它可能会让更小的物质团坍塌并产生黑洞。

所有黑洞都“始于”一个被称为“视界”的外部边界，在这个边界之外，即使是光也无法逃脱它们的引力影响。视界与黑洞中心奇点的距离由黑洞的质量决定，中心奇点是所有物理定律都被打破的无限密集点。

这意味着，质量约为太阳24亿倍的超大质量黑洞M87*的视界直径约为154亿英里（248亿公里），而质量为30个太阳的恒星质量黑洞的视界宽度约为110英里（177公里）。另一方面，一个地球质量的原始黑洞的视界不会宽过一角硬币。质量相当于小行星的原始黑洞的视界宽度小于质子。



一组原始黑洞的插图。（图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）

支持原始黑洞概念的科学家认为，当宇宙经历一轮我们称之为大爆炸的初始膨胀时，它们就会诞生。当宇宙以比光更快的速度冲出时（这是可能的，因为尽管在太空中没有什么东西能比光移动得更快，但太空本身也能），科学家们认为，比周围环境密度更大的区域可能已经坍塌，产生了低质量黑洞。

然而，许多研究人员并不支持当前宇宙中存在原始黑洞的概念，这是因为斯蒂芬·霍金。

黑洞会死吗？

斯蒂芬·霍金最具革命性的理论之一表明，即使是黑洞也不可能永远存在。这位伟大的物理学家认为黑洞“泄漏”是一种热辐射，这个概念后来以他的名字命名为“霍金辐射”。

当黑洞泄漏霍金辐射时，它们会失去质量并最终爆炸。黑洞的质量越小，泄漏霍金辐射的速度就越快。这意味着，对于超大质量黑洞来说，这一过程所需的时间将超过宇宙的寿命。但是微小的黑洞会泄漏得更快，因此死亡的速度也会更快。

因此，解释原始黑洞是如何在138亿年的时间里不被“扑通”的是一个挑战。如果罗曼成功地发现了这些宇宙化石，这将构成对物理学许多原理的重大反思。



一张信息图显示了如果霍金辐射泄漏，各种大小的黑洞预计能存活多久。（图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）

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，他在声明中说：“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。”

探测原始黑洞也绝非易事。像任何黑洞一样，这些空洞将被视界束缚，既不发光也不反射光。这意味着探测它们的唯一方法是使用阿尔伯特·爱因斯坦在1915年提出的广义相对论原理。

与爱因斯坦合作

广义相对论预测，所有有质量的物体都会在空间和时间的结构中产生弯曲，统一为一个称为“时空”的四维实体。当背景光源的光穿过弯曲时，其路径是弯曲的。光越靠近透镜对象通过，其路径就越弯曲。这意味着来自同一物体的光可以在不同的时间到达望远镜。这被称为引力透镜。

当透镜物体像星系一样质量惊人时，背景源可能会转移到一个明显的位置，甚至出现在同一图像中的多个位置。如果透镜化物体的质量较小，就像原始黑洞一样，透镜化效应较小，但它会导致可以检测到的背景源变亮。这就是所谓的微透镜效应。



一张图表显示了一个引起引力透镜的原始黑洞，揭示了罗马太空望远镜的存在（图片来源：Robert Lea（与Canva共同创建）/美国国家航空航天局）

目前，微透镜在探测无赖行星或在银河系中漂移而没有母恒星的世界方面发挥了巨大作用。这揭示了大量与地球质量差不多的无赖——不仅仅是理论上的；事实上，模型可以预测。根据这种模式，科学家预测罗曼将把对地球质量无赖的探测增加十倍。

这些天体的丰富性引发了人们的猜测，即其中一些地球质量的天体实际上可能是原始黑洞。DeRocco说：“无法根据具体情况区分地球质量黑洞和流氓行星。”。“罗曼将在统计学上非常有力地区分两者。”

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。”

该团队的研究于1月发表在《物理评论D》杂志上。