天文太空

時間起點的黑洞

大霹靂瞬間所產生數量龐大的潛藏黑洞,或許能解釋超大質量黑洞與星系團的成長,更可解開長久以來的暗物質之謎。

撰文/賈西亞-貝爾利竇(Juan Garcia-Bellido)、克萊瑟(Sebastien Clesse)
翻譯/李沃龍

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時間起點的黑洞

大霹靂瞬間所產生數量龐大的潛藏黑洞,或許能解釋超大質量黑洞與星系團的成長,更可解開長久以來的暗物質之謎。

撰文/賈西亞-貝爾利竇(Juan Garcia-Bellido)、克萊瑟(Sebastien Clesse)
翻譯/李沃龍


重點提要

■不可見的暗物質憑藉重力支撐了星系,但其本質仍是深奧難解的宇宙之謎。許多研究人員懷疑暗物質是由弱作用大質量粒子(WIMP)組成,也設計了各種實驗來搜尋它們,不過至今仍未發現其蹤跡。

■「太初黑洞」可能在大霹靂後瞬間形成,或許是構成暗物質的天體,而它們同樣尚未被偵測到。

■重力波偵測器與其他天文台所蒐集的新數據,或許顯示更多關於太初黑洞的證據。一旦證實太初黑洞存在,我們將可揭露暗物質與其他宇宙難題的秘密。


早於10億年之前,遙遠的宇宙裡有一對黑洞婆娑迴旋、彼此盤繞,直到合為一體才終止這一曲死亡之舞。這起猛烈的互繞碰撞事件攪動時空結構,掀起了滔天的重力波,以光速向宇宙各角落傳散出去。這些時空波動在歷經超過10億光年的旅途後,於2015年9月撲向我們的行星,在雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO)的感測器留下宛如蟲鳴鳥叫的唧啾聲。


這是人類首次直接偵測到重力波,證實了愛因斯坦在100年前對其存在的預言。那唧啾聲顯示,這兩個合併的黑洞質量平均超過30太陽質量,也就是說,比起那些直接誕生於大質量恆星爆炸的尋常黑洞,它們的質量還要大上兩三倍。這些黑洞如此之重,根本無法想像是從恆星演化而來。此外,即使這類黑洞確實各自源於超重恆星的死亡,但以宇宙目前年齡來看,它們交會且合併的發生機率極低。因此我們合理懷疑,這些黑洞是以完全與恆星無關的奇特方式形成。LIGO除了偵測到重力波外,或許還揭露了某些更不尋常的事:在恆星生成前便已有黑洞存在。


雖然這種「太初黑洞」前所未見,但某些理論模型預測在大霹靂後不到一秒內,它們已於充斥熾熱緻密電漿的宇宙中大量出現。這些潛藏的黑洞可以解答現代宇宙學的好幾個未解之謎,尤其是太初黑洞可能構成了部份或全部的暗物質;這種不可見的物質佔宇宙整體物質的85%,是支撐星系與星系團的重力黏著劑。LIGO與其他觀測設施的後續研究很快就能測試這些概念,可能掀起全新的觀念革命,改變我們對宇宙的理解。


大塊頭與小不點


由於黑洞不發光的緣故,最初曾被認為是構成暗物質的理想天體。的確,黑洞與其他如行星和棕矮星等天體,長久以來被視為暗物質問題的解答。這類昏暗天體有個詼諧的稱號MACHO,是大質量緻密暈體(massive compact halo object)的縮寫,它們可能位在包覆每個星系的球狀暈裡,或星系明亮中心附近的區域,其重力牽引恰可說明天文學家在星系外緣所觀測到恆星與氣體的異常運動。簡單說,星系轉動得太快,無法僅用我們觀測到的可見恆星質量來維持這樣的運動。暗物質提供額外的拉力,以防星系甩脫它們的恆星。


假如宇宙的暗物質是由MACHO組成,則應該也能用來解釋其他觀測結果。不論暗物質是什麼,它塑造出宇宙最大的結構,攸關星系、星系團和超星系團的起源;這些天體可能是由暗物質暈裡的氣體經重力塌縮而匯聚形成。宇宙學家透過深廣的星系巡天觀測,已精準描繪出這些團塊在天空中的分佈,並把它們與大霹靂餘暉宇宙微波背景輻射(CMB)裡的微小溫度漲落連結在一起。散佈在大型星系與星系團裡的大量暗物質,也會彎曲空間,偏折來自遙遠背景天體的星光,引發所謂的「重力透鏡」現象。


不過,當10年前人們嘗試迂迴尋找MACHO、始終找不到任何蛛絲馬跡時,MACHO假說便不再受青睞。其中最值得注意的是,天文學家憑藉微透鏡(microlensing)現象來搜尋MACHO的結果;微透鏡是一種特別的重力透鏡機制:當黑洞、棕矮星、甚至行星通過背景恆星前方,會短暫增強星光。數項微透鏡巡天長期計畫,觀測了銀河系最主要的衛星星系大小麥哲倫雲裡的數百萬顆恆星,並未發現MACHO構成整個銀河系暈的證據。這些結果確定排除10太陽質量以下的MACHO是暗物質的主要成份。在進行這些巡天觀測時,理論學家已著手建構另一套假說──弱作用大質量粒子(WIMP)。


某些粒子物理標準模型的延伸理論預測有WIMP,但它與MACHO一樣難以捉摸。儘管我們已透過粒子加速器、地底偵測器與太空望遠鏡搜尋了數十年,至今仍找不到它存在的證據。當搜尋WIMP的實驗繳出越來越多的白卷,便有一些研究人員回頭重新考慮MACHO假說,不過這一次主要關注太初黑洞的議題:究竟什麼機制能在可觀測宇宙的各角落產生這些奇怪的天體,並潛藏至今從未被發現?


黑洞成群結夥


太初黑洞是英國物理學家卡爾(Bernard Carr)與霍金(Stephen Hawking)在1970年代提出的想法,他們所考慮的黑洞頂多不超過一座山的質量。根據霍金所發現、稱為「霍金輻射」的量子力學過程,這種迷你黑洞在我們宇宙誕生後這137億年裡早就蒸發殆盡。雖然如此,他們也曾研究質量較大而尚未蒸發的黑洞構成星系團中無蹤質量的可能性。


美國物理學家古斯(Alan Guth)於1980年代早期首次提出宇宙暴脹概念,大質量太初黑洞構成大部份甚至全部暗物質的可能性,再度於1990年代被進一步探討。暴脹理論顯示,宇宙在大霹靂後立即驚人地迅速膨脹。在10-35秒瞬間,距離小於原子半徑的兩點被拉開達四光年遠,相當於太陽到最近恆星的距離。此外在暴脹期間,微小的量子漲落急遽膨脹放大到巨觀尺度,導致某些區域所含的物質與能量高於平均、某些則低於平均,為後續所有的宇宙結構種下根源。觀測CMB密度漲落的結果,明顯支持這看似離奇的暴脹理論。


1996年,賈西亞-貝爾利竇(本文作者之一)、美國史丹佛大學的林德(Andrei Linde)與英國朴茨茅斯大學的汪德茲(David Wands)提出一套模型,認為在早期宇宙暴脹的密度漲落功率範圍上會形成尖銳的峰值(參見右頁〈太初黑洞〉)。基本上,我們指出量子漲落被暴脹極度放大後,自然形成特別緻密的區域,進而在暴脹結束不到一秒內塌縮成一大群黑洞。這種黑洞的性質就如同暗物質一般,主宰了目前宇宙的物質含量。此模型所產生的一大群黑洞,每個都擁有相同的質量,大小取決於塌縮區域所含的能量。自此之後,其他研究團隊開始在不同的暴脹模型探索這些概念。


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