暗物质据认为,它约占已知宇宙的 26%,但没有人真正知道它是什么、它是由什么构成的,或者如何探测它。
就像我们在恒星、人类、粘液和宇宙中其他一切事物中看到的“正常”物质一样,似乎施加了引力,但它不会发出科学家可以检测到的任何形式的光或辐射。 就好像宇宙被有史以来最普遍的幽灵所困扰——我们可以感觉到它的存在,但我们没有合适的设备来捕捉它。
现在,美国宇航局的一位天体物理学家表示,他也许能够解释为什么我们当前的宇宙模型需要像暗物质这样的东西存在,但我们找不到它,无论我们多么努力:暗物质可能由巨大的宇宙诞生后不到一秒的时间里就出现了。
这些所谓的原始黑洞的存在可能会扭曲早期宇宙的质量分布,亚历山大·卡什林斯基说来自美国宇航局戈达德太空飞行中心,这是我们一直试图通过假设的存在来解释的事情高质量粒子例如弱相互作用的大质量粒子(WIMP)和轴子几十年来。
但迄今为止的每一次实验,例如美国宇航局的阿尔法磁谱仪和费米伽马射线太空望远镜任务,都未能找到这些粒子确实存在的证据。
“这些研究提供了越来越敏感的结果,慢慢缩小了暗物质粒子可以隐藏的参数范围,”卡什林斯基说。 “未能找到它们,让人们重新燃起了研究原始黑洞——在宇宙最初几分之一秒内形成的黑洞——如何发挥暗物质作用的兴趣。”
时间回到2005年卡什林斯基和他的团队使用美国宇航局的斯皮策太空望远镜拍摄了太空特定区域红外光背景辉光的快照。 这张快照后来被称为宇宙红外背景(CIB)。
这种光芒中出现了一种独特的斑点,天文学家表示,最有可能的罪魁祸首是 130 亿年前照亮宇宙的第一个光源的聚合光。 但这些最初的来源到底是什么? 它们可能是有史以来第一个黑洞吗?
快进到 2013 年,另一项研究比较了 NASA 钱德拉 X 射线天文台检测到的宇宙 X 射线背景 (CXB) 与同一空间区域的 CIB 的情况。
左:美国宇航局的斯皮策太空望远镜显示大熊座的红外视图。 右图:同一区域的宇宙红外背景 (CIB) 中不规则的背景辉光。 图片来源:NASA/JPL-Caltech/A。 卡什林斯基(戈达德)
由于它们发出的排放类型,宇宙的第一批恒星被认为是第一个光源的候选者,这只剩下一个解释了。
“CXB 中低能 X 射线的不规则发光与 CIB 的斑点非常匹配。我们所知道的唯一能在这么宽的能量范围内发出足够光亮的物体是,”卡什林斯基说。
这就是黑洞作为暗物质的秘密身份的证据A。 证据 B 发生在 2015 年 9 月 14 日,当激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 的科学家发现引力波的第一个直接证据。 LIGO 团队发现的意义并不止于此,正如 Deborah Byrd 为 Earthsky.org 所解释的那样:
“除了首次检测到,并且假设 LIGO 事件已被正确解释,该事件也标志着首次直接探测到黑洞。 因此,它为科学家提供了有关单个黑洞质量的信息,分别是太阳质量的 29 倍和 36 倍,加上或减去大约四个太阳质量。”
这个细节很重要,因为卡什林斯基刚刚发表了一项新研究,证实这些质量与估计的原始黑洞质量一致。 “事实上,他认为 LIGO 可能探测到的是原始黑洞的合并,”《时代》杂志说。
考虑到这一点,卡什林斯基的论文分析了如果一群类似于 LIGO 探测到的原始黑洞扮演暗物质的角色,早期宇宙中可能会发生什么。
卡什林斯基解释说,在宇宙生命周期的前 5 亿年里,正常物质(或“可见”物质)温度太高,无法融入第一批恒星。 暗物质似乎对极端高温根本没有反应,这意味着它可能会塌陷成称为迷你晕的团块。 然后,这些微型晕的引力使正常物质得以积累。
“热气体向迷你晕坍缩,导致气体团的密度足以进一步自行坍缩成第一批恒星,”弗朗西斯·雷迪为美国宇航局解释。 “卡什林斯基表明,如果黑洞扮演暗物质的角色,这个过程会发生得更快,并且很容易产生斯皮策数据中检测到的 CIB 的块状,即使只有一小部分迷你晕能够产生恒星。”
CIB 和 CXB 中看到的一致性可以用这一过程产生的第一批恒星发出的红外光以及落入暗物质黑洞的气体发出的 X 射线来解释。
“这项研究旨在汇集广泛的想法和观察结果,以测试它们的契合度,而且契合度出奇地好,”卡什林斯基说。 “如果这是正确的,那么所有星系,包括我们自己的星系,都嵌入在一个巨大的黑洞球体中,每个黑洞的质量约为太阳的 30 倍。”
该假设已概述于天体物理学杂志通讯。
只有来自未来 LIGO 实验的更多证据才能加强或反驳它,但在那之前,可能是时候将原始黑洞添加到这个模型中了。暗物质候选者名单。
如果卡什林斯基是对的,那么暗物质确实一直隐藏在我们的眼皮底下——宇宙中最黑暗、最神秘的东西就是宇宙中最黑暗、最神秘的东西。