天文太空

黑洞的黑暗面

暗物質可以解釋早期宇宙的巨大黑洞。

撰文/蔡宙(Charles Choi)

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黑洞的黑暗面

暗物質可以解釋早期宇宙的巨大黑洞。

撰文/蔡宙(Charles Choi)


許多星系中心都盤據著一個超大質量黑洞,其質量高達10億個太陽以上,驅動著星系旋轉和成長。超大質量黑洞在大霹靂140億年之後的今天算是稀鬆平常,但在早期宇宙卻相當稀有(至少應該要很稀有)。因此,當科學家發現超大質量黑洞在宇宙10億歲時就存在的證據,便感到相當困惑,因為現有恆星演化理論認為,這麼大的物體得花更久的時間才得以長成。現在,這個謎團應該可由「暗物質」這個神秘東西來解開。


早期的超大質量黑洞之謎於2003年出現,當年的史隆數位巡天計畫(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)探測到了幾個這類黑洞。根據當時的理論,一般恆星是在宇宙兩億年時才出現,而黑洞在同一時期最多只能成長到100個太陽質量那麼大。SDSS探測到的10億個太陽質量的怪物黑洞,理論上要花10億年才有辦法成形。所需時間之長,該計畫應該探測不到才對。


任職於美國密西根大學安娜堡分校的理論物理學家佛利斯(Katherine Freese)等人表示,這個難題可以用暗物質解決。暗物質雖然無法直接觀測,但其重力效應卻可以透露它們的存在。宇宙的物質至少有80%是暗物質,佔據整個宇宙的1/4,不過對於暗物質的組成,科學家卻遲遲無法確定。在所有候選者當中,最可能的組成粒子就是「中性伴子」(neutralino)這種能產生微弱交互作用的假設性重粒子。中性伴子對撞後會相互湮滅,生成熱、γ射線、微中子,以及正子和反質子等反物質粒子。


佛利斯等人計算出,在宇宙只有8000萬~1億歲的時候,原恆星雲氣開始冷卻並收縮,此時中性伴子在重力拉扯下相互湮滅,並釋放出能量,創造出第一個恆星。這些恆星稱為「暗星」(dark star),能量來源為暗物質,而一般恆星的能量來源則為核能。


他們這項發現意味著暗星的體型可能比一般恆星還大許多,因為暗星的密度不必像一般恆星那麼高。一般恆星得依賴原子核緊密聚集才有辦法進行核融合,但暗星就比較蓬鬆,其中最大一顆的直徑高達太陽直徑的20萬倍左右。科學家也預測,暗星的表面溫度較低,因此質量可高達太陽質量的1000倍;至於目前的恆星,頂多只有太陽質量的150倍。


佛利斯等人已把這份分析報告發表在2010年的《天文物理期刊》。文章中提到,暗星在燃燒殆盡並塌縮之前,質量可高達10萬個太陽質量以上。他們分析了中性伴子流入暗星以及被原子捕捉到的頻率,並在結論中提到,暗物質粒子有可能正是助長暗星成長的物質,其時間之長,遠超過我們原本的預期。


在超大質量暗星耗盡暗物質之後,可能就會開始收縮,進而發生核融合,並像一般恆星持續將近100萬年之久。佛利斯表示,這些恆星可能不會成為超新星,「它們太大了」,因此轉而塌縮成同質量的黑洞。其中有些暗星則在大霹靂後的10億年內,合併成巨行星。


超質量暗星的亮度可能高達太陽的10億倍,但溫度則和太陽的黃光差不多。佛利斯期望,預定2018年發射的韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)能偵測到這些密度較低的巨星。不過,目前似乎沒有正在成形的暗星,因為現今暗物質的平均密度只有過去暗星的1/8000,當時的宇宙比現在緻密得多。


並非所有人都認為暗星存在。美國密西根州立大學的天文物理學家歐席亞(Brian O'Shea)認為,暗星的理論對暗物質的性質做了過多假設,舉例來說,如果暗物質是以「軸子」(axion)這種粒子所構成(另一種不可見的假設性粒子,而且不會相互湮滅),那麼暗星就無法成形。


不過美國德州大學奧斯丁分校的天文物理學家夏比洛(Paul R. Shapiro)則表示,暗星「是暗物質合理模型下的合理結論」。而只要科學家發現了暗星,它們可以說明的事物就比黑洞還要多:它們可以指出暗物質是什麼。歐席亞指出:「倘若暗星存在,它們一定是冷到難以置信。」(宋宜真 譯)


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