北京時(shí)間5月13日消息，綜合國(guó)外媒體相關(guān)報(bào)道，已故著名的英國(guó)天體物理學(xué)家史蒂芬·霍金的一項(xiàng)關(guān)于宇宙暗物質(zhì)的理論預(yù)言近期遭受了一次重大打擊?；艚鹪?jīng)指出，這種神秘的，難以捉摸的物質(zhì)是由原初黑洞構(gòu)成的。但近期，一項(xiàng)使用大型望遠(yuǎn)鏡開展的觀測(cè)研究得到的結(jié)論似乎與霍金的預(yù)言并不相符。
當(dāng)然，最新的研究并未完全否定霍金的理論，但如果這項(xiàng)理論正確，那么這種原初黑洞的質(zhì)量必須很小才行。
▲HSC相機(jī)拍攝的仙女座大星系圖像，近期使用這臺(tái)相機(jī)拍攝的仙女座星系高清圖像正在幫助科學(xué)家們檢驗(yàn)已故著名天體物理學(xué)家霍金的理論。在這項(xiàng)研究中，他們找到一例可能來自一個(gè)中等質(zhì)量原初黑洞的信號(hào)
暗物質(zhì)之謎
“暗物質(zhì)”是物理學(xué)家們發(fā)明的一個(gè)詞，用于解釋宇宙中一種難以解釋的神秘現(xiàn)象，那就是：宇宙中的那些星系和恒星的運(yùn)動(dòng)狀況，無法用經(jīng)典的引力理論進(jìn)行解釋——除非還有一些隱藏的，我們看不到的質(zhì)量存在，才能解釋這種詭異的運(yùn)動(dòng)情況。百思不得其解的物理學(xué)家們于是便給這種隱匿在黑暗之中，看不到的神秘物質(zhì)取名為“暗物質(zhì)”。
這個(gè)名字本身也凸顯了其神秘性，關(guān)于它的本質(zhì)，有各種各樣的假說，從中微子到某種人類尚未認(rèn)知的粒子，再到全新的物理學(xué)理論，不一而足。
在1970年代，霍金和同事們從理論上推測(cè)，宇宙大爆炸的過程中可能會(huì)創(chuàng)生出很多相對(duì)質(zhì)量很小的黑洞，每一個(gè)的大小都和一個(gè)質(zhì)子差不多。這些極其微小而古老的黑洞將極難被觀測(cè)到，但聚集在一起時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生明顯的引力效應(yīng)，而這兩種性質(zhì)完全符合對(duì)暗物質(zhì)的描述。
要想證實(shí)原初黑洞，需要進(jìn)行觀測(cè)搜尋。在此之前，科學(xué)家們的能力最多只能做到對(duì)質(zhì)量大于月球級(jí)別的黑洞進(jìn)行搜尋。但隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，科學(xué)家們的觀測(cè)精度不斷提升，我們開始有一些更加先進(jìn)的辦法可以做到以前做不到的事情。
這一次，日本國(guó)立天文臺(tái)設(shè)在美國(guó)夏威夷的昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡上安裝的一臺(tái)超級(jí)數(shù)字成像設(shè)備（HSC）大顯神威。這是一臺(tái)先進(jìn)設(shè)備，采用了最頂尖的成像技術(shù)，其可以一次拍攝整個(gè)仙女座大星系，這是距離銀河系最近的大型河外星系。
日本東京大學(xué)科維里宇宙數(shù)理研究所的高田昌広教授團(tuán)隊(duì)使用這臺(tái)相機(jī)設(shè)備開展對(duì)原初黑洞的搜尋；他們的研究成果已經(jīng)在近期出版的《自然-天文學(xué)》上發(fā)表。
黑洞不會(huì)發(fā)出任何光線，但大型黑洞，比如位于M87星系核心的那種超大質(zhì)量黑洞，則會(huì)產(chǎn)生明亮的吸積盤結(jié)構(gòu)。但是原初黑洞的質(zhì)量要比這小數(shù)十億倍，因此無法被觀測(cè)到，不會(huì)發(fā)光，也沒有吸積盤結(jié)構(gòu)。要想搜尋這樣的黑洞，你需要觀察由于黑洞引力作用而產(chǎn)生的光線彎曲效應(yīng)，在天文上，這種效應(yīng)被稱作“微引力透鏡效應(yīng)”。
通過使用望遠(yuǎn)鏡相隔一段時(shí)間拍攝多張同一顆恒星的圖像，科學(xué)家們可以從中搜尋微引力透鏡效應(yīng)的跡象。從一顆恒星前方通過的黑洞將造成這顆恒星發(fā)出的光線被彎曲，使其亮度出現(xiàn)暫時(shí)性增強(qiáng)，黑洞質(zhì)量越小，這種亮度增強(qiáng)持續(xù)的時(shí)間越短暫。高田昌広教授指出：“如果一個(gè)微引力透鏡效應(yīng)天體質(zhì)量和太陽相當(dāng)，那么微引力透鏡效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間大約是數(shù)個(gè)月或者一年。”
問題是，他們所要搜尋的黑洞質(zhì)量要比這小的多得多，大約是月球質(zhì)量。這就意味著這種增亮效應(yīng)持續(xù)時(shí)間要短得多得多。但正如高田昌広教授指出的那樣，HSC相機(jī)很獨(dú)特。簡(jiǎn)單來說，HSC相機(jī)可以讓天文學(xué)家們一次拍攝便完成對(duì)整個(gè)星系的成像，并且曝光時(shí)間（天文學(xué)尺度上）極短，每拍攝一張只需要大約2分鐘的曝光間隔即可。
在一個(gè)晴朗的夜晚，高田昌広教授在大約7個(gè)小時(shí)時(shí)間內(nèi)利用這臺(tái)超級(jí)設(shè)備拍攝了大約200張仙女座大星系的圖像。在這些圖像中，他們只找到一例微引力透鏡事件。如果原初黑洞果真構(gòu)成了暗物質(zhì)的大部分成分，那么高田教授指出，我們應(yīng)該可以至少找到1000起左右的微引力透鏡事件，而不是1例。
對(duì)于這項(xiàng)研究結(jié)果，美國(guó)加州大學(xué)河濱分校的黑洞物理學(xué)家西蒙·伯德（Simeon Bird）評(píng)論道：“微引力透鏡效應(yīng)是探測(cè)黑洞或?qū)⑵渑懦脑嚱鹗?。這項(xiàng)最新研究在相當(dāng)大的質(zhì)量水平上排除了原初黑洞作為暗物質(zhì)主要成分的可能性，其給出的約束要比之前的結(jié)果都更加嚴(yán)格。這是一個(gè)很漂亮的結(jié)果。”
所以，這件事可以蓋棺定論了嗎？霍金的這項(xiàng)預(yù)言已經(jīng)被證偽了嗎？對(duì)此，不管是伯德還是高田都表示，還不能這么說。他們指出，這項(xiàng)研究盡管給出了進(jìn)一步的限制，但目前還無法完全就此將原初黑洞的理論就此完全排除。
伯德表示：“仍然還有一些質(zhì)量范圍，其限制條件仍然很弱，比如在20~30倍太陽質(zhì)量附近，還存在1%~10%的暗物質(zhì)概率，而在更低的質(zhì)量尺度上也還有機(jī)會(huì)，比如與小行星質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮诙础！?/p>
高田教授表示：“我們的物理學(xué)家們非常興奮，因?yàn)槿匀淮嬖跈C(jī)會(huì)?！蹦壳暗慕Y(jié)果還無法排除那些質(zhì)量更小的黑洞的可能性，因?yàn)閬碜赃@類黑洞產(chǎn)生的閃光效應(yīng)太過短暫，因此“我們需要另想辦法?！?/p>
但至少，他們的這次巡天找到了一例“閃光”事件。盡管這仍然是一項(xiàng)孤立的，初步的結(jié)果，但這項(xiàng)結(jié)果可能會(huì)被證明非常重要，因?yàn)樗赡軙?huì)成為對(duì)于霍金理論預(yù)言的一項(xiàng)關(guān)鍵驗(yàn)證。
高田教授表示：“只有一個(gè)觀測(cè)案例還不夠具有說服力。我們需要更多的觀測(cè)例證來檢驗(yàn)它。如果這真的是一個(gè)原初黑洞，那么我們應(yīng)該繼續(xù)搜尋同類天體?！彼麄円舱郎?zhǔn)備這樣做，而強(qiáng)大的昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡和HSC相機(jī)將是他們最好的幫手。
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