自1978年美國天文學(xué)家Vera Rubin通過旋轉(zhuǎn)曲線第一次提供了暗物質(zhì)存在的證據(jù)以來，在過去的40年間，天文學(xué)觀測為暗物質(zhì)的存在積累了豐富證據(jù)。然而，暗物質(zhì)的本質(zhì)仍晦暗不明，不過黑洞作為暗物質(zhì)的一種選擇，盡管有可能所占比例極小，但并未完全排除。
近日，在太空游蕩了41年的“旅行者1號”無意之中動搖了一個暗物質(zhì)理論的大膽猜想，其是小型黑洞的可能性大大降低。
“我從沒想過我們能夠以任何方式為研究暗物質(zhì)作出貢獻(xiàn)，”自1973年起就一直參與“旅行者1號”項(xiàng)目的加州理工學(xué)院太空科學(xué)家Alan Cummings表示，“能有這樣的發(fā)現(xiàn)真是太好了?！?/p>
推論黑洞質(zhì)量范圍
幾十年來，天體物理學(xué)家一直認(rèn)為，一些不可見的物質(zhì)為維系星系的穩(wěn)定提供了額外引力。在發(fā)現(xiàn)存在暗物質(zhì)的初期，黑洞被當(dāng)作一種極為可能的候選體，吸引了眾多天文學(xué)家的興趣。不過現(xiàn)在看來，黑洞完全為暗物質(zhì)的說法可以被徹底排除，然而極少一部分暗物質(zhì)由黑洞組成的說法依舊可行。
黑洞通常被認(rèn)為是大質(zhì)量恒星內(nèi)部停止核燃燒、在自身重量的作用下坍縮形成的一個致密天體，它被認(rèn)為體積無窮小，但引力超強(qiáng)。
但是要想用黑洞解釋暗物質(zhì)絕非易事。在宇宙中，暗物質(zhì)的重量是普通物質(zhì)的6倍，所以不可能通過坍縮恒星產(chǎn)生這種不平衡的比例。
一種僅有的可能性就是原初黑洞。這種黑洞的形成途徑和上面的恒星坍縮形成的黑洞不同。在第一代星系和恒星形成之前，宇宙早期物質(zhì)的微小波動坍縮可能會形成所謂的原初黑洞。這種原初黑洞幾乎可以有任意的質(zhì)量，但如果不與天文觀測相沖突，它們的數(shù)量就不會過多。例如，一群比太陽質(zhì)量大得多的黑洞會像炮彈穿過枝形吊燈一樣粉碎星系，成群結(jié)隊(duì)的小黑洞則會通過所謂的引力透鏡扭曲遙遠(yuǎn)恒星和星系的圖像。
“這樣的觀測結(jié)果只給原始黑洞留下了3個可能的質(zhì)量范圍?！庇鴤惗噩旣惻醮髮W(xué)的宇宙學(xué)家Bernard Carr認(rèn)為，它們的質(zhì)量可能是太陽的1到10倍，或大約是太陽的十億分之一，或者低于太陽的千萬億分之一，那些最小的黑洞只有原子核那么大。
但法國索邦大學(xué)的理論學(xué)家Mathieu Boudaud和Marco Cirelli在即將出版的《物理評論快報(bào)》刊載的一篇論文中指出，如果它們真的存在，“旅行者1號”應(yīng)該能探測到那些超小黑洞的表征輻射。黑洞之所以得名，是因?yàn)榘ü庠趦?nèi)的任何物質(zhì)接近它后都無法逃脫。但是在1973年，已故的霍金推論認(rèn)為，即便如此，黑洞依然能放射出一些光和粒子。
排除小型黑洞可能性
根據(jù)量子力學(xué)，真空中存在著粒子—反粒子對，它們在空間中來回穿梭。霍金意識到，如果一對粒子以恰當(dāng)?shù)木嚯x出現(xiàn)在黑洞附近，那么其中一個粒子可能會跌入黑洞中，而另一個可能以霍金輻射的形式飛離。黑洞越小，溫度越高，輻射也就越大。
“如果有大量質(zhì)量非常小的黑洞存在，因?yàn)榛艚鹫舭l(fā)的溫度會非常高，從而釋放產(chǎn)生大量正負(fù)電子對，那么它們在星際空間應(yīng)該能夠被觀測到。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員茍利軍說，然而觀測結(jié)果卻沒有證實(shí)這一點(diǎn)。
事實(shí)上，自2012年“旅行者1號”離開太陽系之前，它已經(jīng)偵測到一些微弱的、持續(xù)的正負(fù)電子對流量，這和“旅行者1號”離開太陽系之后探測到的流量相近，并沒有什么變化。Boudaud等人的計(jì)算結(jié)果表明，即使它們都來自微小的黑洞，也不會有足夠的黑洞占據(jù)銀河系暗物質(zhì)的1%以上，而銀河系內(nèi)超新星爆發(fā)遺跡已經(jīng)足夠產(chǎn)生所觀測到的這些流量。
Carr認(rèn)為，這項(xiàng)新研究幾乎排除了低質(zhì)量的原始黑洞是暗物質(zhì)的可能性，他一直傾向于認(rèn)為黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于幾個太陽質(zhì)量。“這個低質(zhì)量的‘窗戶’從來都不是我的最愛。如果現(xiàn)在的限制條件排除了這種可能性，我個人不會感到困擾。”
永無止境的探索之旅
然而，“旅行者1號”無法搜索更大質(zhì)量的原始黑洞。質(zhì)量更大黑洞的霍金溫度不高，無法輻射出像電子和正電子這樣的大質(zhì)量粒子。相反，它們只會發(fā)出非常微弱的、極難被探測到的光。所以，目前黑洞是暗物質(zhì)的概念依然存在。
茍利軍介紹，我國在深空探測器的飛行實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)程緩慢。目前我國飛行最遠(yuǎn)的衛(wèi)星“嫦娥二號”自繞月飛行任務(wù)完成后，正向深空駛進(jìn)。不過，若想像“旅行者1號”一樣飛出太陽系尚有難度?！斑@其中對于技術(shù)的要求很高，對于經(jīng)費(fèi)要求也很高昂，發(fā)射一個到土星附近的探測器都要幾十億美元?！彼f。
不過對于暗物質(zhì)的探索，我國已取得了長足進(jìn)步。2015年底，由中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)中首批立項(xiàng)研制的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”號成功發(fā)射升空，在太空中開展高能電子及高能伽馬射線探測任務(wù)，以尋找暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。2017年，科學(xué)家利用“悟空”號采集到的數(shù)據(jù)，獲得了世界上迄今最精確的高能電子宇宙線能譜。
“雖然至今也沒有探測出暗物質(zhì)粒子，不過科學(xué)家會使用各種手段進(jìn)行嘗試?！逼埨娬J(rèn)為，科學(xué)家進(jìn)行研究的動力之一就是好奇，揭開宇宙組成的奧秘是一條永無止境的探索之旅。
作者：程唯珈
編輯：顧軍
責(zé)任編輯：李雪林
來源：中國科學(xué)報(bào)
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