暗物質據認為,它約佔已知宇宙的 26%,但沒有人真正知道它是什麼、它是由什麼組成的,或如何探測它。
就像我們在恆星、人類、黏液和宇宙中其他一切事物中看到的「正常」物質一樣,似乎施加了引力,但它不會發出科學家可以檢測到的任何形式的光或輻射。 就好像宇宙被有史以來最普遍的幽靈所困擾——我們可以感覺到它的存在,但我們沒有合適的設備來捕捉它。
現在,美國太空總署的一位天文物理學家表示,他也許能夠解釋為什麼我們目前的宇宙模型需要像暗物質這樣的東西存在,但我們找不到它,無論我們多努力:暗物質可能由巨大的宇宙誕生後不到一秒的時間就出現了。
這些所謂的原始黑洞的存在可能會扭曲早期宇宙的質量分佈,亞歷山大·卡什林斯基說來自美國太空總署戈達德太空飛行中心,這是我們一直試圖透過假設的存在來解釋的事情高品質粒子例如弱相互作用的大質量粒子(WIMP)和軸子幾十年來。
但迄今為止的每一次實驗,例如美國太空總署的阿爾法磁譜儀和費米伽馬射線太空望遠鏡任務,都未能找到這些粒子確實存在的證據。
「這些研究提供了越來越敏感的結果,慢慢縮小了暗物質粒子可以隱藏的參數範圍,」卡什林斯基說。 “未能找到它們,讓人們重新燃起了研究原始黑洞——在宇宙最初幾分之一秒內形成的黑洞——如何發揮暗物質作用的興趣。”
時間回到2005年卡什林斯基和他的團隊使用美國太空總署的史匹哲太空望遠鏡拍攝了太空特定區域紅外光背景輝光的快照。 這張快照後來被稱為宇宙紅外線背景(CIB)。
這種光芒中出現了一種獨特的斑點,天文學家表示,最有可能的罪魁禍首是 130 億年前照亮宇宙的第一個光源的聚合光。 但這些最初的來源到底是什麼? 它們可能是有史以來第一個黑洞嗎?
快轉到 2013 年,另一項研究比較了 NASA 錢德拉 X 射線天文台檢測到的宇宙 X 射線背景 (CXB) 與同一空間區域的 CIB 的情況。
左:美國太空總署的史匹哲太空望遠鏡顯示大熊座的紅外線視圖。 右圖:同一區域的宇宙紅外線背景 (CIB) 中不規則的背景輝光。 圖片來源:NASA/JPL-Caltech/A。 卡什林斯基(戈達德)
由於它們發出的排放類型,宇宙的第一批恆星被認為是第一個光源的候選者,這只剩下一個解釋了。
「CXB 中低能量 X 射線的不規則發光與 CIB 的斑點非常匹配。我們所知道的唯一能在這麼寬的能量範圍內發出足夠光亮的物體是,”卡什林斯基說。
這就是黑洞作為暗物質的秘密身分的證據A。 證據 B 發生在 2015 年 9 月 14 日,當雷射干涉儀重力波天文台 (LIGO) 的科學家發現重力波的第一個直接證據。 LIGO 團隊發現的意義不止於此,正如 Deborah Byrd 為 Earthsky.org 所解釋的那樣:
“除了首次檢測到,並且假設 LIGO 事件已被正確解釋,該事件也標誌著首次直接探測到黑洞。 因此,它為科學家提供了有關單個黑洞質量的信息,分別是太陽質量的 29 倍和 36 倍,加上或減去大約四個太陽質量。
這個細節很重要,因為卡什林斯基剛剛發表了一項新研究,證實這些質量與估計的原始黑洞質量一致。 “事實上,他認為 LIGO 可能探測到的是原始黑洞的合併,”《時代》雜誌說。
考慮到這一點,卡什林斯基的論文分析瞭如果一群類似於 LIGO 探測到的原始黑洞扮演暗物質的角色,早期宇宙中可能會發生什麼。
卡什林斯基解釋說,在宇宙生命週期的前 5 億年裡,正常物質(或「可見」物質)溫度太高,無法融入第一批恆星。 暗物質似乎對極端高溫根本沒有反應,這意味著它可能會塌陷成稱為迷你暈的團塊。 然後,這些微型暈的引力使正常物質得以累積。
「熱氣體向迷你暈坍縮,導致氣體團的密度足以進一步自行坍縮成第一批恆星,」弗朗西斯·雷迪為美國宇航局解釋。 「卡什林斯基表明,如果黑洞扮演暗物質的角色,這個過程會發生得更快,並且很容易產生斯皮策數據中檢測到的CIB 的塊狀,即使只有一小部分迷你暈能夠產生恆星。
CIB 和 CXB 中看到的一致性可以用這個過程產生的第一批恆星發出的紅外光以及落入暗物質黑洞的氣體發出的 X 射線來解釋。
“這項研究旨在匯集廣泛的想法和觀察結果,以測試它們的契合度,而且契合度出奇地好,”卡什林斯基說。 「如果這是正確的,那麼所有星系,包括我們自己的星系,都嵌入在一個巨大的黑洞球體中,每個黑洞的質量約為太陽的 30 倍。”
該假設已概述於天體物理學雜誌通訊。
只有來自未來 LIGO 實驗的更多證據才能加強或反駁它,但在那之前,可能是時候將原始黑洞添加到這個模型中了。暗物質候選名單。
如果卡什林斯基是對的,那麼暗物質確實一直隱藏在我們的眼皮底下——宇宙中最黑暗、最神祕的東西就是宇宙中最黑暗、最神祕的東西。