2020年諾貝爾物理學(xué)獎頒給了三位對黑洞研究有重要貢獻的科學(xué)家。這之后不久，又有新的關(guān)于黑洞的研究發(fā)現(xiàn)登上《物理評論快報》，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹過程中形成的“小宇宙”，很可能孕育了最原始的黑洞。

大爆炸后不久，許多小宇宙以黑洞的形式從我們的宇宙中分離出來。（圖片來源：Kavli IPMU）

這一系列研究由東京大學(xué)科維理宇宙物理學(xué)與數(shù)學(xué)研究所（Kavli IPMU）的多名成員合作完成，近日，該機構(gòu)在官網(wǎng)刊文介紹了相關(guān)研究始末。

暗物質(zhì)被視為宇宙的主要組成，人們觀測到的引力波信號、在銀河系或其他星系中心發(fā)現(xiàn)的超大黑洞或許都源于暗物質(zhì)。而在原始恒星和星系誕生前，早期宇宙中就有黑洞形成，這些原始黑洞很可能是暗物質(zhì)的重要構(gòu)成。

為了研究原始黑洞，來自Kavli IPMU的粒子物理學(xué)家、宇宙學(xué)家和天文學(xué)家組成研究團隊，從宇宙早期演化入手，尋找利于黑洞形成的條件。

按宇宙膨脹論，在宇宙膨脹這一快速擴張的階段，早期星系和星團開始演化，與此同時，許多“小宇宙”應(yīng)運而生，這些真空氣泡很可能是不同于我們現(xiàn)存宇宙的存在，它最終會崩潰，但相對較小的體積釋放出的巨大能量很可能導(dǎo)致黑洞的產(chǎn)生。

對體量更大的小宇宙而言，如果其大小處于某個臨界值，按照相對論，小宇宙可從內(nèi)外兩種角度觀察。若在其內(nèi)部，觀察者就可將其視為正在擴張的宇宙，若在其外部，觀察者就可將其視為黑洞。無論何種角度，研究者都可將小宇宙視為黑洞產(chǎn)生的雛形，它將多個宇宙的基本結(jié)構(gòu)隱藏在事件視界之后。

事件視界是一種邊界，視界內(nèi)發(fā)生的事無法對視界外產(chǎn)生影響，黑洞的周邊即為事件視界，這里的逃逸速度大于光速，因此任何物體（即便是光線）也無法逃離。

此前，研究小組就曾在《自然-天文學(xué)》上介紹原始黑洞觀測的候選事件。在《物理評論快報》上，研究團隊描述了原始黑洞形成的一種新的可能。

研究小組用位于夏威夷的昴宿星團望遠鏡及其搭載的第二代超廣角主焦點照相機（Hyper Suprime-Cam，HSC）展示了多個小宇宙場景中的觀測數(shù)據(jù)。如果一個原始黑洞穿過恒星星系，抵達一顆望遠鏡視線內(nèi)的恒星，黑洞引力會使光線彎曲，并使該恒星在短時間內(nèi)比往常更亮。根據(jù)恒星變亮的持續(xù)時間，可以測算出黑洞質(zhì)量。借助HSC，人類有能力同時觀測上億的恒星，從而“廣撒網(wǎng)”，找尋那些正在穿越星系的原始黑洞。

如果一個原始黑洞穿過恒星星系，星系中的恒星會暫時變亮。 （圖片來源：Kavli IPMU / HSC）

目前，研究團隊正在展開新一輪觀察、擴大搜索范圍，以進一步驗證相關(guān)結(jié)論。

研究團隊還展示了HSC的觀測數(shù)據(jù)，其中一些觀測對象與LIGO觀察到的重黑洞和超大質(zhì)量黑洞的雛形重合。

一系列數(shù)值研究表明，如果能確定HSC的觀測對象是暗物質(zhì)的主要來源，那么進一步的光學(xué)勘測及研究可為原始黑洞的形成機制提供更多論據(jù)。



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