來自邁阿密大學(xué)、耶魯大學(xué)和歐空局的天體物理學(xué)家們顛覆了教科書上的解釋，提出原生黑洞是宇宙中所有暗物質(zhì)的來源。這個天體物理學(xué)家小組提出了一個關(guān)于宇宙如何形成的替代模型，他們認為所有的黑洞都是在宇宙大爆炸后瞬間產(chǎn)生的，并解釋了所有暗物質(zhì)的來源。

　　該研究表明，黑洞自宇宙誕生之初就已經(jīng)存在，這些原生黑洞可能是尚未解釋的暗物質(zhì)的來源。如果通過本月發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡收集的數(shù)據(jù)證明是真的，這一發(fā)現(xiàn)可能會改變對兩個宇宙之謎的起源和性質(zhì)的科學(xué)理解：暗物質(zhì)和黑洞。

　　邁阿密大學(xué)物理學(xué)副教授、該研究的第一作者 Nico Cappelluti 說：“我們的研究預(yù)測，如果暗物質(zhì)不是由未知粒子構(gòu)成，而是由大爆炸期間形成的黑洞構(gòu)成--那么早期宇宙會是什么樣子，正如斯蒂芬·霍金在 20 世紀 70 年代所建議的那樣。”

　　“這將有幾個重要的影響，”Cappelluti 繼續(xù)說，他今年作為耶魯大學(xué)天文學(xué)和天體物理學(xué)中心獎的博士后研究員擴大了他在耶魯大學(xué)開始的研究。“首先，我們將不需要‘新物理學(xué)’來解釋暗物質(zhì)。此外，這將有助于我們回答現(xiàn)代天體物理學(xué)中最引人注目的問題之一：早期宇宙中的超大質(zhì)量黑洞怎么會長得這么大，這么快?鑒于我們今天在現(xiàn)代宇宙中觀察到的機制，它們不會有足夠的時間來形成。這也將解決長期以來的一個謎團，即為什么一個星系的質(zhì)量總是與它中心的超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量成正比。”

　　從未被直接觀察到的暗物質(zhì)被認為是宇宙中的大部分物質(zhì)，并作為星系形成和發(fā)展的支架。另一方面，在大多數(shù)星系的中心可以找到的黑洞，已經(jīng)被觀察到。在空間中的一個點，物質(zhì)被緊緊地壓縮在一起，它們產(chǎn)生了強烈的引力。

　　由耶魯大學(xué)天文學(xué)和物理學(xué)教授 Priyamvada Natarajan 和歐空局(ESA)科學(xué)主任 Günther Hasinger 共同撰寫的這項新研究表明，各種大小的所謂原生黑洞構(gòu)成了宇宙中所有的暗物質(zhì)。

　　“不同大小的黑洞仍然是一個謎，”Hasinger 解釋說。“我們不明白超大質(zhì)量黑洞如何能在宇宙存在以來的相對較短的時間內(nèi)成長得如此巨大。”

　　他們的模型調(diào)整了霍金和物理學(xué)家的 Bernard Carr 首次提出的理論，他們認為在大爆炸后的最初幾分之一秒，宇宙密度的微小波動可能已經(jīng)創(chuàng)造了一個具有額外質(zhì)量的“塊狀”區(qū)域的起伏景觀。這些凹凸不平的區(qū)域會坍塌成黑洞。

　　這一理論沒有獲得科學(xué)上的支持，但是 Cappelluti、Natarajan 和 Hasinger 認為，在稍作修改后，這一理論可能是有效的。他們的模型顯示，第一批恒星和星系將在早期宇宙中圍繞黑洞形成。他們還提出，原生黑洞將有能力通過吞噬其附近的氣體和恒星，或通過與其他黑洞合并而成長為超大質(zhì)量黑洞。

　　Natarajan 說：“如果原生黑洞確實存在，很可能是所有超大質(zhì)量黑洞形成的‘種子’，包括銀河系中心的那個。我個人認為這個想法超級令人興奮的是，它如何優(yōu)雅地統(tǒng)一了我工作的兩個真正具有挑戰(zhàn)性的問題--即探測暗物質(zhì)的性質(zhì)和黑洞的形成和增長--并一舉解決了它們。”

　　原生黑洞也可能解決另一個宇宙學(xué)難題：與X射線輻射同步的過量紅外輻射，這些輻射已從散布在宇宙中的遙遠、暗淡的源頭檢測到。研究作者說，成長中的原始黑洞將呈現(xiàn)“完全”相同的輻射特征。

　　而且，最重要的是，原生黑洞的存在可能會在不久的將來得到證明或反駁，因為韋伯望遠鏡已經(jīng)發(fā)射升空，歐空局領(lǐng)導(dǎo)的激光干涉空間天線(LISA)任務(wù)計劃在 2030 年代進行。

　　韋伯望遠鏡由美國宇航局、歐空局和加拿大航天局開發(fā)，以接替哈勃太空望遠鏡，它有望觀測到 135 億年前宇宙的“模樣”。如果暗物質(zhì)是由原生黑洞組成的，那么在早期宇宙中就會有更多的恒星和星系在它們周圍形成，這正是宇宙“時間機器”將能夠看到的情況。

　　Hasinger 說：“如果第一批恒星和星系已經(jīng)在所謂的‘黑暗時代’形成，韋伯應(yīng)該能夠看到它們的證據(jù)。”

　　與此同時，LISA 將能夠從原生黑洞的早期合并中獲取引力波信號。
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