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宇宙诞生之初的黑洞在哪里,环绕银河系的第4大

2019-10-12 18:10

索纳克·博斯(Sownak Bose)此前是计算宇宙学研究中心的博士生,如今是哈佛-史密松天体物理中心的研究人员,他说:“这项工作很好的一个方面是,它强调了理论模型的预测与真实数据之间的互补性。十年前,银河系附近那些最微弱的星系可能都会被雷达忽视,”博斯补充道,“随着现在和未来星系调查的灵敏度不断提高,一大批最小型的星系出现了,使我们能够在新的领域中检验理论模型。”由于这些星系远比想象中的小,不少网友调侃到,怎么,年龄大了还会缩水不成?

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研究人员解释,第一批星系发出的强烈紫外线辐射会通过电离来破坏剩余的氢原子,使其难以冷却形成新的恒星。在接下来的十亿年左右,星系形成过程停止。但随着暗物质的光晕变得巨大,使电离气体也能冷却,星系形成再次开启,最终形成了像银河系那样壮观的明亮星系。

一、原初黑洞是什么?

对于宇宙,人们从未停止探索。科学家对于宇宙的探索几乎分为两个方面,第一种是对宇宙未知生命、宇宙未知领域的探索,第二就是对宇宙起源的探索。对于宇宙起源,目前最受欢迎的说法是大爆炸,它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里,宇宙体系在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化,如同一次规模巨大的爆炸。但其实专家们更渴望能找到古老天体作为证据。

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哈佛—史密森尼天体物理中心的索瓦纳克·博斯说:“随着星系普查灵敏度与日俱增,一些新的微小星系开始受到关注,让我们能在新领域测试理论模型,并进一步了解早期宇宙。”

一些利用极暗矮星系的观测数据进行的计算并不支持这些星系的暗物质晕是由几十倍太阳质量的原初黑洞组成的,比如普林斯顿大学大学的天体物理学家Timothy Brandt对极暗矮星系Eridanus II以及其它几个极暗矮星系的计算。

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英国杜伦大学计算宇宙学研究所所长卡洛斯·弗伦克教授说:“新发现支持目前宇宙学标准模型Λ-冷暗物质模型。这一模型称,构成暗物质的基本粒子驱动宇宙不断演化。”

极暗矮星系被认为是检验暗物质理论绝佳的观测对象,在这类星系中,由物质组成的恒星的总光度非常低,暗物质占星系总质量的比例非常高。

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据物理学家组织网日前报道,英美科学家的最新研究表明,绕着银河系运行的最暗淡的卫星星系是宇宙中最古老的星系之一。他们称“发现这些最早星系相当于找到地球上第一批人类的遗骸”,其有助研究宇宙的演化历程。

在宇宙大爆炸之后的5亿年间,物质还太热无法塌缩成为恒星,而只靠引力相互作用的暗物质不受极高温度的影响,因此能最先塌缩成团块,也就是暗物质晕。暗物质晕为物质的集聚提供了原初的引力势种子,随后物质开始逐渐被吸引过来,当物质密度足够大时将会塌缩成第一代恒星,形成星系。

但是就在不久之前,科学家们在银河系周围发现4个较小的星系,这些卫星星系分别被称为Segue-1、牧夫座矮星系、Tucana II和大熊座I矮星系(Ursa Major I),都是非常黯淡的卫星星系,而且被认为是最早形成的一类星系。和银河系相比,它们十分暗淡,甚至很容易被忽略,但是它们的身份,却是科学家们无法忽视的。科学家们表示:这就像是在地球上首次发现人类遗骸一样,这些星系,有可能正是宇宙中第一批星系!

杜伦大学计算宇宙学研究中心主任卡洛斯·弗伦克(Carlos Frenk)教授说:“在银河系的‘自家后院’中,发现宇宙中最早形成的一些星系,这在天文学上的意义就相当于发现最早居住在地球上的人类遗骸。这真是太令人兴奋了。”研究人员阿丽丝·迪森(Alis Deason)说:“这是一个很好的例子,说明了如何通过观察银河系中一些最小的矮星系来了解早期宇宙。”

这些星系包括“赛吉尔1”、“牧夫座1”、“杜鹃座2”以及“大熊座1”,它们都属于宇宙首批星系,已有130多亿年历史。

但是这两个黑洞和我们在银河系以及其他星系中观测到的恒星级质量黑洞都不一样,我们已知的此类黑洞的质量大都在5至15倍的太阳质量之间,还从来没有观测过到如此大质量的恒星级质量黑洞。这两个黑洞的起源引起了天文学家的兴趣,尤其是在致密星演化领域,多个研究工作相继出现。但是另一些天文学家随即认为LIGO探测到的这次事件可能就是两个原初黑洞的并合。

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bv1946伟德入口,这个星系的发现,描述于一份在英国皇家天文学会月报(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)发表的论文,对于我们了解银河系演化是重要的。当较小的星系被较大的星系同类吞食时,星系通过"合并"来演化。

在这项最新研究中,科学家确定了两组围绕银河系运行的卫星星系。第一组非常微弱,由在宇宙黑暗时代形成的星系组成;第二组则明亮一些,由数亿年后形成的星系组成。

中心蓝色恒星聚集的区域为极暗矮星系Eridanus II,图片来自V.Belokurov & S. Koposov

据推测,当宇宙年龄约为38万年时,第一批原子诞生了。这些微小的氢原子是元素周期表中最简单的元素。当原子聚拢成团并开始冷却时,它们逐渐稳定在大爆炸产生的暗物质“晕”中。这段冷却时期被称为“宇宙黑暗时代”(Cosmic dark ages),持续了大约1亿年。最终,在暗物质晕中冷却的气体变得不稳定,开始形成恒星。这些天体便组成了最早的星系,并为宇宙带来了光亮,宇宙黑暗时代由此结束。当然,目前这只是一种猜测,科学家们还没有得到更多证据,但其实,不管是不是第一批,它们的悠久历史,必将带我们认识一个全新的世界。截止到目前,我们最远的探测器还没有走出太阳系,因此对这些星系的研究只能依靠望远镜等设备。

英国杜伦大学计算宇宙学研究中心和美国哈佛-史密松天体物理中心的研究人员表示,这一发现为研究宇宙起源提供了新线索。这些卫星星系分别被称为Segue-1、牧夫座矮星系、Tucana II和大熊座I矮星系(Ursa Major I),都是非常黯淡的卫星星系,而且被认为是最早形成的一类星系。

宇宙大爆炸后约38万年,第一个原子开始形成。这些氢原子聚集成云,逐渐冷却,形成大爆炸中出现的小团块或暗物质“光晕”。这个被称为“宇宙黑暗时代”的冷却阶段持续了约1亿年。最终,在光晕内部冷却的气体变得不稳定,并开始形成恒星,诞生了首批星系。随着这些星系的形成,宇宙发出光,黑暗时代结束。

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有时候东西就在你眼前,但是你就是看不见。在银河系发现的最新卫星星系,Crater 2,就是这样的一个例子。它完全没有被注意到,直到现在。

值得注意的是,团队发现他们之前开发的星系形成模型与数据完全吻合,这使他们能推断出卫星星系的形成时间。

图片来源:NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky

除此之外,天文学家还发现围绕银河系运转的4个小型星系,这些星系可以追溯到130亿年前,在大爆炸之后不久就出现了,可能是宇宙中最古老的星系。

天文学家设计了很多观测用来寻找原初黑洞。但是迄今为止,并没有直接证据表明到原初黑洞的存在。

很惊讶的不在于发现本身的问题,而是在于它的大小。Crater 2是银河系第4大卫星星系,只有人马座矮星系(Sagittarius Dwarf)和大、小麦哲伦星云(Magellanic Cloud)超过它。Crater 2是一个模糊黯淡的超矮星系,离地球39万1千光年,而且它是围绕银河系数十个小星系中的一个。

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这些矮星系通过引力作用环绕着银河系,就像月球与地球的关系,只是在更大尺度上。研究人员将这一发现的意义与“在地球上发现第一批人类的遗骸”相提并论。

论文的作者最后也强调他们的模型目前还有很大的不确定性,还无法得出确定的结论。

据推测,当宇宙年龄约为38万年时,第一批原子诞生了。这些微小的氢原子是元素周期表中最简单的元素。当原子聚拢成团并开始冷却时,它们逐渐稳定在大爆炸产生的暗物质“晕”中。这段冷却时期被称为“宇宙黑暗时代”(Cosmic dark ages),持续了大约1亿年。最终,在暗物质晕中冷却的气体变得不稳定,开始形成恒星。这些天体便组成了最早的星系,并为宇宙带来了光亮,宇宙黑暗时代由此结束。

上图是红外背景辐射,下图是X射线背景辐射。可以对比红外图中的斑块和X射线图中的亮斑。

虽然它是围绕我们星系最大结构物之一,它很难被发现。Crater 2的恒星彼此分散,造成天文学家很难把它看成是一个单独的天体。

得益于几个光学巡天观测,最近几年越来越多的极暗矮星系被发现。这些极暗矮星系的暗物质晕是否可以由原初黑洞组成,还存在很大的争议。

Crater 2的位置也说明了我们银河系过去的重力崩溃。Crater 2似乎和奇特的球状星系团Crater对齐,特别模糊黯淡的矮星系Leo 4和Leo 5,以及传统矮星系Leo 2。科学家相信这些卫星星系曾经是一个单独的天体,然后被银河系分裂。它们现在是一个既长又窄的天体带。

四、一个未解之谜

Crater 2的亮度等同于超过16万个太阳,造成它是过去10年所发现最明亮的矮星系之一。它的亮度也被用来评估它的大小,由于天体通常没有边缘,所以科学家量测它一半的光的出发地区。 Crater 2 “一半的光"的半径大约是3千5百光年,暗示它横跨远超过7千光年。

引力波事件GW150914中的黑洞是原初黑洞吗?

此外,原初黑洞在早期宇宙时期的吸积,也会对微波背景辐射的各向异性分布产生影响。利用Planck卫星对微波背景辐射的观测结果,Ali-Haïmoud在2017年的研究工作中认为大于100倍太阳质量的原初黑洞不可能是构成暗物质晕的主要成分。但是从微波背景辐射的观测得到的对于几十倍太阳质量的原初黑洞能否作为暗物质晕的主要成分的结论还存在争议。

三、原初黑洞的间接证据

在最近的一项研究工作中,哈佛大学史密松天体物理中心的Qirong Zhu和他的合作者改进了计算方法,并且利用数值模拟发现极暗矮星系的暗物质晕可以由原初黑洞组成,但是计算得到的黑洞质量在2倍至14倍太阳质量之间。

还有一种寻找原初黑洞的办法是微引力透镜。

2005年,天文学家Kashlinsky利用Spitzer空间红外卫星发现,宇宙的红外背景辐射中存在大量的不规则的斑块状结构,而且随着数据的积累这些奇怪的结构越来越明显,这些结构被认为是第一代恒星产生的辐射,经过红移之后来到了红外波段。

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其中的一种猜想认为暗物质晕是由原初黑洞组成的。依据Kashlinsky等人的观点,当气体落向由原初黑洞组成的暗物质晕时,会被黑洞吸积,产生X射线辐射,因而第一代恒星产生的红外斑块和原初黑洞产生的X射线斑块才会在空间上一一对应。

1966年, Zel'dovich 和 Novikov这两位两位天文学家最早提出可能存在原初黑洞。1971年,在仔细计算了这种黑洞的性质之后,霍金发现原初黑洞的初始质量可能在0.01毫克到几千倍太阳质量之间。

微波背景辐射提供限制

137亿年前,一次大爆炸造就了我们的宇宙。大爆炸之后,空间中存在密度扰动,在一些致密区域,会由于引力塌缩而产生原初黑洞。

虽然由原初黑洞组成的暗物质晕能够解释诸多的现象,但是还是没有任何观测可以支持或者检验这一理论。

星系的暗物质晕是否由原初黑洞组成的呢?希望未来观测数据和理论计算能对这一问题给出确定的答案。比如对极暗矮星系更多的观测,探测到更多的引力波事件等等。

斑块的比对带来了新观点

在2013年,他们将Chandra空间X射线卫星获得的宇宙X射线背景辐射与相同天区的红外背景辐射进行比较,惊奇的发现这些斑块状结构和X射线背景辐射中的亮斑几乎一一对应,这就表明亮斑处的红外和X射线辐射来自宇宙中的同一区域,他们认为这些X射线辐射来自于原初黑洞的吸积,而且这些原初黑洞构成了暗物质晕。

2016年天文学家Simeon Bird在估计了两个30倍太阳质量左右的原初黑洞并合的概率大致符合根据LIGO观测所估计的概率。而Kashlinsky也在2016年的一篇论文中计算了这个质量的原初黑洞组成的暗物质晕能够解释所观测到的红外和X射线背景的斑块。

二、那原初黑洞是否真的存在呢?

没有直接证据,但也还是有一些间接的观测证据支持原初黑洞的存在。

2015年9月14日,人们利用LIGO第一次探测到了引力波,这次引力波事件是由两个质量为36倍和29倍太阳质量的黑洞并合产生的,这对于物理学和天文学都是一个里程碑式的事件,引力波的探测还获得了2017年的诺贝尔物理学奖。

理论上预计质量小的原初黑洞会由于霍金辐射而蒸发,在最后一刻会产生伽马射线辐射。NASA的Fermi卫星有可能探测到地球附近的原初黑洞产生的这种伽马射线辐射。加州大学Santa Cruz分校的研究生Johnson在今年初的一篇论文中利用自己编写的算法在Fermi数据中寻找原初黑洞的信号,但是没有找到,不过他们的结果对地球附近的原初黑洞的数量给出了限制。

暗物质是什么,科学家们并不清楚。但暗物质有多重要,以及暗物质在星系中的分布,我们还是了解一些的。

微引力透镜来支招

当一个原初黑洞经过我们视线方向上的一颗恒星时,这颗恒星会因为微引力透镜效应而变亮,天文学家们通过巡天观测利用这种方法寻找我们银河系晕中的原初黑洞,进而可以确定原初黑洞能贡献多少比例的暗物质。这一类的巡天观测包括EROS,MACHO。通过微引力透镜的巡天观测认为小于15倍太阳质量的原初黑洞是不可能作为暗物质晕的主要成分。

跟随上海天文台一起去探寻原初黑洞~物理学家认为在137亿年前宇宙诞生之初可以产生黑洞,这种黑洞就叫做原初黑洞(primordial black holes)。

撰文 | 闫震

物理学家认为在宇宙诞生之初可以产生黑洞,这种黑洞就叫做原初黑洞(primordial black holes)。

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