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最神秘的引力波信號證實霍金半世紀前的理論

2020-01-17 10:46:58  來源:環球科學

約半個世紀之前,霍金首次深入研究了原初黑洞理論。他認為這種黑洞誕生于宇宙之初。在此基礎上,一些科學家認為原初黑洞是暗物質候選者,但其存在與否,始終未能得到確認。去年4月,LIGO探測到了一次難以解釋的引力波信號。許多天文學家將其歸因于“超重”的雙中子星的碰撞,然而也有人提出了更為奇特的解釋——兩個原初黑洞的并合。

自從美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)在2015年首次直接探測到引力波以來,引力波已經成為天文學界最熱門的話題之一。通常情況下,研究人員可以通過這種由黑洞并合產生的時空漣漪來研究該過程的內部機制。不過,LIGO探測到的引力波還可能源于其他天體碰撞事件,比如雙中子星并合等等。因此,有時LIGO的探測結果會讓天文學家們感到困惑。這樣的困惑在去年4月觀測到的一次引力波事件中達到峰值。這次編號GW190425的引力波事件的來源引發了極大的爭論,直到最近,它才被歸因于雙中子星并合。但是,這個結論依然無法令所有天文學家信服。

引發爭論的要點在于,LIGO的觀測數據顯示,這對中子星的質量超出預期——其總質量約為太陽的3.4倍,比已知最大的雙中子星系統還要重0.5個太陽質量。美國賓夕法尼亞州立大學的天文學家查德·漢納(Chad Hanna)這樣評價道:“這是已知最重的中子星,其質量超乎想象。”

這個異常的質量使一些科學家產生了懷疑,他們認為GW190425可能不是由雙中子星的并合產生的,而是來自另一種更加奇特的事件——兩個原初黑洞(primordial black hole, PBH)的并合。暗物質是遍布宇宙的某種不可見物質,它可能占據了宇宙總質量的23%。而原初黑洞被視為解釋暗物質的候選者之一。一種理論認為,在大爆炸后很短的時間內,宇宙中的密度漲落形成了這種最古老的黑洞,它們一直存在至今,并且能夠解釋最近LIGO觀測中發現的質量異常。

大約半個世紀前,宇宙學家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出,原初黑洞可能形成于物質非常致密的宇宙嬰兒期。此后,這個理論在天文學家和宇宙學家中引發了廣泛的討論。直至今日 ,由于一直缺少原初黑洞存在的直接證據,許多科學家僅在萬不得已的情況下才會考慮這一假設。不過,原初黑洞真實存在,并且在宇宙中廣泛分布的可能性依然不能排除。

科學家將原初黑洞視為暗物質重要候選者的原因有很多,但最重要的一點在于,它們無法被直接觀測到,同時擁有巨大的引力,這符合我們對暗物質的要求。盡管如此,漢納仍然表示,如果原初黑洞的數量真的多到足以解釋宇宙中所有暗物質,那么過去天文學家對原初黑洞的搜尋就不應該一無所獲。因此,他補充道,即使原初黑洞真的存在,它們也只能構成暗物質的一小部分。

也有人持不同的觀點。西班牙馬德里自治大學的理論宇宙學家胡安·加西亞-貝利多(Juan García-Bellido)認為:“原初黑洞或許仍然足以構成所有的暗物質。”他隨后補充道,這種古老的天體可能具有一系列不同的質量,而不是某個固定值。如果原初黑洞的質量分布在一個巨大的范圍之中,例如從太陽質量的幾千分之一到十億倍,那么它們就有可能構成宇宙中全部的暗物質,卻仍未被我們發現。他表示:“目前發表的那些否認原初黑洞構成暗物質的研究存在一個共同的問題,那就是認為所有原初黑洞的質量都一樣,并且在空間中均勻分布。”如果原初黑洞存在如此大的質量差異,那么它們必須緊密地成群分布,這樣才能發生碰撞和并合,從而變得更大。

由于理論認為原初黑洞是在大爆炸后很短的一段時間內形成的,因此它們最初應當很容易發生接觸。畢竟相比現在這個膨脹了近140億年的宇宙,早期的宇宙空間應當小很多,因此原初黑洞發生碰撞的可能性也更大。因此,LIGO團隊的成員之一,紐約弗拉迪朗研究所的天文學家卡特琳娜·哈奇約安奴(Katerina Chatziioannou)認為,盡管觀測到的引力波的確可能源于原初黑洞的并合,但這種事件發生的可能性微乎其微。她同樣是即將發表于《天體物理學雜志快報》(Astrophysical Journal Letters)的一篇文章的共同作者,該文中將GW190425觀測事件歸因為中子星碰撞。

去年4月,在LIGO探測到GW190425號引力波后,全世界的望遠鏡都開始搜尋與之相關的電磁輻射信號——這也是雙中子星碰撞事件的典型標志,然而天空仍然一片漆黑。哈奇約安奴表示:“如果是兩個原初黑洞發生了并合的話,的確不會有任何光出現。”盡管如此,她仍然補充道,沒有探測到光線也不能排除中子星并合的可能性。大質量中子星的并合過程可能很平靜,因為它們相撞后可能迅速產生了黑洞,而沒來得及釋放光芒。另一種可能是,這一并合事件發生的位置在地面望遠鏡的探測范圍之外,例如在太陽后面的區域。她說:“有很好的理由能夠解釋,為什么我們沒觀測到光。”

這項觀測結果其實只能作為一種誘人的線索,暗示原初黑洞有可能存在,并且其中兩個碰巧在黑暗的宇宙中相遇了。如果未來能夠發現一對黑洞,并且它們的質量都比太陽還小的話,這一猜測才能真正得到證明。漢納說:“如果你發現了一個質量比太陽還小的黑洞,那么至少以現有的天文學理論來說,除了原初黑洞理論之外,我們沒有其他可以解釋其成因的機制。”對此,加西亞-貝利多也持有相同的看法:“如果能發現質量小于太陽,或高出(太陽)50倍的黑洞,那么我們就有確鑿證據了。”

盡管這或許是我們第一次探測到原初黑洞,但漢納和哈奇約安奴都認為LIGO這次的觀測結果更有可能僅來源于超重的中子星。畢竟,目前已經有理論可以解釋質量如此大的中子星是如何形成的,并且其形成過程并不需要依賴于某種巧合事件的發生。哈奇約安奴表示:“相比之下,(這一引力波事件源于)原初黑洞的可能性遠遠小于超出已知質量的中子星的可能性。并不是說它完全不可能,只是可能性很小。”

不過,盡管漢納等研究者都認為GW190425不太可能源于原初黑洞的并合,加西亞-貝利多仍然對這一理論保持著樂觀的態度:“所有LIGO的觀測事件都有可能源于原初黑洞。”或許只有時間和更多的觀測數據,才能告訴我們答案吧。

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