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观测未能证实霍金生前一理论预言,但否定也为时尚早

2019-5-13 8:26:46来源:新浪科技作者:晨风责编:懒猫/实习评论:

北京时间5月13日消息,综合国外媒体相关报道,已故著名的英国天体物理学家史蒂芬·霍金的一项关于宇宙暗物质的理论预言近期遭受了一次重大打击。霍金曾经指出,这种神秘的,难以捉摸的物质是由原初黑洞构成的。但近期,一项使用大型望远镜开展的观测研究得到的结论似乎与霍金的预言并不相符。

当然,最新的研究并未完全否定霍金的理论,但如果这项理论正确,那么这种原初黑洞的质量必须很小才行。

HSC相机拍摄的仙女座大星系图像,近期使用这台相机拍摄的仙女座星系高清图像正在帮助科学家们检验已故著名天体物理学家霍金的理论。在这项研究中,他们找到一例可能来自一个中等质量原初黑洞的信号

暗物质之谜

“暗物质”是物理学家们发明的一个词,用于解释宇宙中一种难以解释的神秘现象,那就是:宇宙中的那些星系和恒星的运动状况,无法用经典的引力理论进行解释——除非还有一些隐藏的,我们看不到的质量存在,才能解释这种诡异的运动情况。百思不得其解的物理学家们于是便给这种隐匿在黑暗之中,看不到的神秘物质取名为“暗物质”。

这个名字本身也凸显了其神秘性,关于它的本质,有各种各样的假说,从中微子到某种人类尚未认知的粒子,再到全新的物理学理论,不一而足。

在1970年代,霍金和同事们从理论上推测,宇宙大爆炸的过程中可能会创生出很多相对质量很小的黑洞,每一个的大小都和一个质子差不多。这些极其微小而古老的黑洞将极难被观测到,但聚集在一起时仍然会产生明显的引力效应,而这两种性质完全符合对暗物质的描述。

要想证实原初黑洞,需要进行观测搜寻。在此之前,科学家们的能力最多只能做到对质量大于月球级别的黑洞进行搜寻。但随着技术不断进步,科学家们的观测精度不断提升,我们开始有一些更加先进的办法可以做到以前做不到的事情。

这一次,日本国立天文台设在美国夏威夷的昴星团望远镜上安装的一台超级数字成像设备(HSC)大显神威。这是一台先进设备,采用了最顶尖的成像技术,其可以一次拍摄整个仙女座大星系,这是距离银河系最近的大型河外星系。

日本东京大学科维里宇宙数理研究所的高田昌広教授团队使用这台相机设备开展对原初黑洞的搜寻;他们的研究成果已经在近期出版的《自然-天文学》上发表。

黑洞不会发出任何光线,但大型黑洞,比如位于M87星系核心的那种超大质量黑洞,则会产生明亮的吸积盘结构。但是原初黑洞的质量要比这小数十亿倍,因此无法被观测到,不会发光,也没有吸积盘结构。要想搜寻这样的黑洞,你需要观察由于黑洞引力作用而产生的光线弯曲效应,在天文上,这种效应被称作“微引力透镜效应”。

通过使用望远镜相隔一段时间拍摄多张同一颗恒星的图像,科学家们可以从中搜寻微引力透镜效应的迹象。从一颗恒星前方通过的黑洞将造成这颗恒星发出的光线被弯曲,使其亮度出现暂时性增强,黑洞质量越小,这种亮度增强持续的时间越短暂。高田昌広教授指出:“如果一个微引力透镜效应天体质量和太阳相当,那么微引力透镜效应的持续时间大约是数个月或者一年。”

问题是,他们所要搜寻的黑洞质量要比这小的多得多,大约是月球质量。这就意味着这种增亮效应持续时间要短得多得多。但正如高田昌広教授指出的那样,HSC相机很独特。简单来说,HSC相机可以让天文学家们一次拍摄便完成对整个星系的成像,并且曝光时间(天文学尺度上)极短,每拍摄一张只需要大约2分钟的曝光间隔即可。

在一个晴朗的夜晚,高田昌広教授在大约7个小时时间内利用这台超级设备拍摄了大约200张仙女座大星系的图像。在这些图像中,他们只找到一例微引力透镜事件。如果原初黑洞果真构成了暗物质的大部分成分,那么高田教授指出,我们应该可以至少找到1000起左右的微引力透镜事件,而不是1例。

对于这项研究结果,美国加州大学河滨分校的黑洞物理学家西蒙·伯德(Simeon Bird)评论道:“微引力透镜效应是探测黑洞或将其排除的试金石。这项最新研究在相当大的质量水平上排除了原初黑洞作为暗物质主要成分的可能性,其给出的约束要比之前的结果都更加严格。这是一个很漂亮的结果。”

所以,这件事可以盖棺定论了吗?霍金的这项预言已经被证伪了吗?对此,不管是伯德还是高田都表示,还不能这么说。他们指出,这项研究尽管给出了进一步的限制,但目前还无法完全就此将原初黑洞的理论就此完全排除。

伯德表示:“仍然还有一些质量范围,其限制条件仍然很弱,比如在20~30倍太阳质量附近,还存在1%~10%的暗物质概率,而在更低的质量尺度上也还有机会,比如与小行星质量相当的黑洞。”

高田教授表示:“我们的物理学家们非常兴奋,因为仍然存在机会。”目前的结果还无法排除那些质量更小的黑洞的可能性,因为来自这类黑洞产生的闪光效应太过短暂,因此“我们需要另想办法。”

但至少,他们的这次巡天找到了一例“闪光”事件。尽管这仍然是一项孤立的,初步的结果,但这项结果可能会被证明非常重要,因为它可能会成为对于霍金理论预言的一项关键验证。

高田教授表示:“只有一个观测案例还不够具有说服力。我们需要更多的观测例证来检验它。如果这真的是一个原初黑洞,那么我们应该继续搜寻同类天体。”他们也正准备这样做,而强大的昴星团望远镜和HSC相机将是他们最好的帮手。

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关键词:暗物质霍金

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