旅行者1号未能发现可构成暗物质的黑洞,暗物质假说能为我们带来意外惊喜么

科学
旅行者1号未能发现可构成暗物质的黑洞,暗物质假说能为我们带来意外惊喜么
麻省理工科技评论 2019-02-10

2019-02-10

相比之下,其他几个比较主流的解释暗物质的假说也都各有各的问题。
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相比之下,其他几个比较主流的解释暗物质的假说也都各有各的问题。

于 41 年前发射的 NASA 旅行者 1 号探测器已飞离太阳系 6 年,但天文学家们在它所传回的数据中找不到那些能解释暗物质的远古黑洞。

远古黑洞


当代天文学认为,我们所观测到的所有物质加起来只占全宇宙质能(质量和能量)总量的约 5%,在剩余的 95% 中,暗物质占大概 27%,暗能量占大概 68%。虽然暗物质和暗能量两个词听上去很神秘,但其实就是科学家们根据观测数据按现有理论进行演算后发现,现有宇宙中如果没有这些还未被观测到的的质量和能量就会崩坏,比如整个星系会被拆散然后从现有位置被飞速抛出和宇宙停止膨胀等等。

而在众多试图解释暗物质和暗能量概念的当代宇宙学假说中,大多都有将可能的一些间接观测证据囊括在内,而其中一个假设就借引力透镜将暗物质解释为了一种宇宙大爆炸后不久就诞生了的“远古”黑洞。

由于宇宙中的暗物质与普通物质在总量上比例悬殊,由恒星坍缩而成的黑洞并不能产生这种量比,假说要求构成暗物质的黑洞由宇宙大爆炸后原始粒子汤中坍缩的波动形成,并认为这种原始黑洞可以具有任何质量。

虽然此前现有的观测表明质量大的夸张的原始黑洞实际存在的可能性很低(不然能瞬间撕碎一整个星系),但理论上质量稍小一点的远古黑洞会造成能被观测到的引力透镜,也就是宇宙中的部分空间因被引力扭曲而形成天然望远镜的现象。

目前,天文学家通过以可观测的引力效应为基础进行逆推,算出能被探测到的这种原始黑洞应具有三个质量分级,分别是太阳质量的一至十倍,太阳质量的十亿分之一和低于太阳质量的千万亿分之一。

探索之旅


根据量子理论,宇宙空间中存在着正反粒子的相互泯灭,霍金曾以此提出了黑洞的辐射理论,也就是对于黑洞附近的一对正反粒子来说,如果一个粒子落入黑洞,其反粒子便会以辐射的形式从黑洞中飞出,且黑洞越小辐射越大,使实际探测成为了可能。

图 | 黑洞辐射想象图(来源:NASA’s Goddard Space Flight Center)

理论上,之前提到过的三个质量分级中的最后一种(低于太阳质量的千万亿分之一,约 100 亿吨)应该能辐射出足量的电子和正电子以供探测。虽然地球上的设备会因受太阳的磁场影响而无法被用于探测这些电子和正电子,但已经飞离太阳系的旅行者一号应该能做到这一点。

然而,自旅行者 1 号于 2012 年正式飞离太阳系以来,天文学家们至今没能从它所传回的数据中找到符合条件的正反粒子信号。同时,一篇于去年 10 月发表的论文指出,由于人们尚未观测到可能由暗物质远古黑洞造成的引力透镜现象,统计学分析表明宇宙中的大部分暗物质(60% 以上)应该都不是黑洞。

图 | 旅行者 1 号(来源:NASA)

虽然这并不能完全排除暗物质由黑洞构成的可能性,但至少目前看来,暗物质的黑洞假说对天文学家们来说已经不是那么有吸引力了。

结语


相比之下,其他几个比较主流的解释暗物质的假说也都各有各的问题。

MACHOs(Massive Compact Halo Objects,晕族大质量致密天体)认为暗物质由一种体积极小的大质量不发光物质构成,虽然理论上可以通过引力透镜进行观测,但目前天文学家们对于“如何判断观测到的引力透镜符合要求”还未能达成一致。WIMP(Weakly Interacting Massive Particles,大质量弱相互作用粒子)提出暗物质由一种假想粒子构成,只通过弱核力和引力与外界相互作用,而尽管天文学家们为探测它们建造了很多昂贵的设备,目前人们还尚未发现与该粒子实际存在的证据。还有一种比较特立独行的,名为“牛顿力学改良版”的假说,认为暗物质的存在是由现有理论的错误导致,并试图提出一种改良版的力学理论系统来解释暗物质的存在,但目前还未有人提出一个这种能解释暗物质问题同时又能顾及宇宙演化过程的改良理论。

虽然暗物质当下的确算得上是一个未解之谜,但无论它是否真的存在或许并不重要。笔者曾有幸在几年前参加过一次中国暗物质卫星总设计师和国内暗物质探测团队的宣讲会,当时有听众问台上的科学家是否相信暗物质的存在,那位科学家给出答案是“不”,并表示他认为人们可能会在追寻暗物质的路上发现别的什么东西,科学发现往往可能是“让人意想不到的”。

或许,事实可能也会真的如此,暗物质存在与否的问题可能会像 19 世纪的“以太”让我们意识到了光是一种电磁波一样,为我们带来一些意想不到的结论。用天文学家的话来说,暗物质可能还仅是真正问题的冰山一角,或许,当未来的物理学回顾我们这段历史时,会觉得“这是一个开启了新纪元,人们尝试重新理解宇宙的新时代”。

麻省理工科技评论

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