黑洞与黑暗的启示引力波提供暗物质构成的新线索

从地球向大麦哲伦云观测到的黑洞引起的微透镜事件的艺术家印象图。位于大麦哲伦云的一颗背景恒星的光线被银河系光晕中的一个推定原始黑洞（透镜）弯曲，从地球上观测时被放大。微透镜导致背景恒星的亮度发生极具特征性的变化，从而可以确定透镜的质量和距离。图片来源：J. Skowron / OGLE。大麦哲伦云的背景图像：由 Kevin Loch 使用 ESA/Gaia 数据库编写的 bsrender 生成。图片来源：J. Skowron / OGLE。大麦哲伦云的背景图片：由 Kevin Loch 使用 ESA/Gaia 数据库编写的 bsrender 生成。

研究结果发表在《自然》 和《 天体物理学杂志增刊系列》上的两篇文章中 。这项研究是由华沙大学天文台 OGLE（光学引力透镜实验）调查的科学家进行的。

各种天文观测表明，我们可以看到或触摸到的普通物质只占宇宙总质量和总能量的 5%。在银河系中，恒星中每一磅普通物质就对应 15 磅"暗物质"，它们不发射任何光，只通过引力相互作用。

"暗物质的本质仍然是一个谜。大多数科学家认为它是由未知的基本粒子组成的，"两篇文章的第一作者、华沙大学天文台的 Przemek Mróz 博士说。"不幸的是，尽管经过数十年的努力，但没有任何实验（包括利用大型强子对撞机进行的实验）发现可能是暗物质的新粒子"。

通过银河系光环看到的大质量天体对大麦哲伦云的预期微透镜事件与观测到的微透镜事件的对比。如果宇宙中的暗物质由推定的原始黑洞组成，那么在 2001-2020 年的 OGLE 勘测中将会探测到 500 多个微透镜事件。而实际上，OGLE项目只探测到了13次微光事件，很可能是由普通恒星引起的。图片来源：J. Skowron / OGLE。大麦哲伦云背景图片：由 Kevin Loch 使用 ESA/Gaia 数据库编写的 bsrender 生成。图片来源：J. Skowron / OGLE。大麦哲伦云的背景图片：由 Kevin Loch 使用 ESA/Gaia 数据库编写的 bsrender 生成。

原始黑洞的奥秘和潜力

自 2015 年首次探测到一对黑洞合并产生的引力波以来，LIGO和室女座实验已经探测到 90 多个此类事件。天文学家注意到，LIGO 和室女座探测到的黑洞质量（20-100 个太阳质量）通常比银河系中已知的黑洞质量（5-20 个太阳质量）大得多。

Mróz 博士说："解释为什么这两个黑洞群如此不同，是现代天文学最大的谜团之一。"

一种可能的解释是，LIGO 和室女座探测器发现了可能在宇宙早期形成的原始黑洞群。50 多年前，英国著名理论物理学家斯蒂芬-霍金（Stephen Hawking）首次提出了原始黑洞的存在，苏联物理学家雅科夫-泽尔多维奇（Yakov Zeldovich）也独立提出了这一观点。

"我们知道，早期宇宙并不是理想的均质宇宙--微小的密度波动产生了现在的星系和星系团，"Mróz 博士说。"类似的密度波动如果超过临界密度对比，就可能坍缩并形成黑洞。"

自从首次探测到引力波以来，越来越多的科学家猜测，这种原始黑洞可能构成暗物质的重要部分，如果不是全部的话。

大麦哲伦云被银河系光环中的大质量天体透镜化的艺术印象。图片来源：J. Skowron / OGLE

利用微透镜技术探索暗物质

幸运的是，这一假设可以通过天文观测得到验证。我们观测到银河系中存在大量暗物质。如果它是由黑洞组成的，我们就应该能够在我们的宇宙邻域中探测到它们。鉴于黑洞不会发出任何可探测到的光，这可能吗？

根据爱因斯坦的广义相对论，光线可能会在大质量天体的引力场中发生弯曲和偏转，这种现象被称为引力微透镜。

"当三个物体--地球上的观测者、光源和透镜--在太空中几乎理想地对齐时，就会发生微透镜现象，"OGLE 勘测的首席研究员 Andrzej Udalski 教授说。"在微透镜事件中，光源的光线可能会发生偏转和放大，我们观测到光源的光线会暂时变亮。"

变亮的持续时间取决于透镜天体的质量：质量越大，时间越长。太阳质量天体的微透镜事件通常会持续数周，而质量比太阳大 100 倍的黑洞的微透镜事件则会持续数年。

利用引力微透镜研究暗物质的想法并不新鲜。20 世纪 80 年代，波兰著名天体物理学家博赫丹-帕钦斯基首次提出了这一想法。他的想法激发了三大实验的启动：波兰的 OGLE、美国的 MACHO 和法国的 EROS。这些实验的首批结果表明，质量小于一个太阳质量的黑洞可能只占暗物质的不到10%。不过，这些观测对时间尺度极长的微透镜事件并不敏感，因此对大质量黑洞也不敏感，类似于最近用引力波探测器探测到的那些黑洞。

智利拉斯坎帕纳斯天文台（由卡内基科学研究所运营）夜景。OGLE 项目观测站以及大麦哲伦云和小麦哲伦云。图片来源：Krzysztof Ulaczyk

OGLE 的长期观察研究

在《天体物理学杂志增刊系列》（Astrophysical Journal Supplement Series）的这篇新文章中，OGLE天文学家介绍了对位于附近一个名为大麦哲伦云的星系中的近8000万颗恒星进行的长达近20年的光度监测结果，以及对引力微透镜事件的搜索。所分析的数据是在2001年至2020年OGLE项目的第三和第四阶段收集的。

Udalski 教授说："这组数据提供了现代天文学史上对大麦哲伦云中恒星进行的时间最长、规模最大、最精确的测光观测。"

第二篇文章发表在《自然》杂志上，讨论了这一发现的天体物理学后果。

Mróz博士说："如果银河系中的所有暗物质都是由10个太阳质量的黑洞组成，那么我们本应探测到258个微透镜事件。对于 100 个太阳质量的黑洞，我们预计会有 99 个微透镜事件。1000个太阳质量的黑洞--27个微透镜事件。"

相比之下，OGLE 天文学家只发现了 13 个微透镜事件。他们的详细分析表明，所有这些事件都可以用银河系或大麦哲伦云本身的已知恒星群来解释，而不是用黑洞来解释。

Mróz博士说："这表明大质量黑洞最多只能构成暗物质的百分之几。"

详细计算表明，10 个太阳质量的黑洞可能最多占暗物质的 1.2%，100 个太阳质量的黑洞占暗物质的 3.0%，1000 个太阳质量的黑洞占暗物质的 11%。

Udalski 教授说："我们的观测结果表明，原始黑洞不可能占暗物质的很大一部分，同时也能解释 LIGO 和室女座观测到的黑洞合并率。"

因此，LIGO 和室女座探测到的大质量黑洞需要其他解释。根据一种假设，它们是大质量、低金属度恒星演化的产物。另一种可能是，在球状星团等高密度恒星环境中，质量较小的天体发生了合并。

Udalski 教授补充说："我们的研究成果在未来几十年内都会出现在天文学教科书中。"

编译来源：ScitechDaily