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黑洞能解释暗物质吗?一项新研究有助于否定这一想法

了解最新的暗物质解释,该解释排除了原初黑洞,并支持轻暗物质模型。

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一项新研究对长期以来关于黑洞可能解释暗物质的观点表示怀疑。来源:NASA戈达德太空飞行中心

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寻找暗物质的解释似乎永无止境,但现在我们可以基本排除一个经常被提及的潜在罪魁祸首:黑洞。

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“原初黑洞作为暗物质的说法由来已久,早在上世纪70年代就有史蒂芬·霍金等人提出相关论文,”该研究的主要作者、伯克利宇宙学物理中心 (Berkeley Center for Cosmological Physics) 的 Miguel Zumalacárregui 说。科学家们在上世纪90年代未能找到任何证据支持这一说法,它也开始逐渐淡出解释的行列。然而,2015年引力波的探测重新点燃了人们对黑洞作为暗物质解释的关注。

现在,在分析了自2014年以来发现的740颗最亮的超新星(即大质量恒星爆发)后,科学家们没有发现任何一颗似乎被黑洞的“引力透镜”效应放大或增亮的。

“我们的统计分析表明,大部分暗物质(至少60%)并非由黑洞组成,”Zumalacárregui 表示。

暗物质的常见解释之一是一类被称为MACHOs(大质量天体晕致密天体)的宇宙天体。MACHOs不是试图用普遍存在的微小物体(如某些未知粒子)来解释暗物质,而是指黑洞、死亡恒星和流浪行星等大型、难以观测到的天体。

引力透镜

该研究团队基于一个理解来进行分析:看不见的、假想的、在大爆炸后不久产生(原初黑洞)的黑洞,或者任何其他MACHOs,都会通过引力弯曲遥远天体的光线。

因此,在寻找这些明亮、遥远天体的引力透镜效应时,该团队试图探测黑洞产生的透镜效应。

研究团队发现,没有一颗超新星似乎被“隐藏”的黑洞引力透镜放大或增亮。他们得出结论,原初黑洞最多只能占暗物质的40%,而宇宙中的暗物质不可能是由重型黑洞或类似天体构成的。根据一份声明,同一团队使用1048颗超新星数据进行的另一项目前尚未公布的重新分析,将这一比例进一步降至23%。

“我们计算了,”Zumalacárregui 说,“如果黑洞构成了所有的暗物质,那么我们将看到大约8颗被显著放大的超新星。此外,如果所有的暗物质都以黑洞的形式存在,那么大部分空间将是空旷的,这将导致绝大多数超新星(排除被放大的那些)比暗物质均匀分布时更暗。”

轻暗物质

根据这项研究,我们尚不能完全排除黑洞作为暗物质的可能性,但它表明暗物质的解释还需要更多内容。

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“我们的研究加强了对轻暗物质(包括基本粒子)模型的支持,并告诉我们它们必须相对平滑地分布,而不是形成重型的致密天体,”Zumalacárregui 说。“虽然不如找到黑洞(作为暗物质)的证据那样令人兴奋,但这仍然是朝着正确方向迈出的一步。”

这项工作于2018年10月1日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters) 杂志上。

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