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研究:黑洞可能是暗能量團?

2019-11-06 09:33:57  來源:新浪科技

北京時間11月6日消息,一項新研究稱,一些黑洞實際上可能是暗能量團,這一觀點對主流的天體物理學理論提出了質疑。

夏威夷大學馬諾阿分校的研究人員對解釋宇宙膨脹的數學方程進行了重新審視,得出了這一結論。科學家通常認為,黑洞是太空中引力過于強大,以至于光線都無法逃逸的區域。黑洞的核心是所謂的奇點,具有近乎無窮大的質量和引力,使其周圍的空間和時間彎曲。然而,在這項新研究中,研究人員提出,一些看起來像黑洞的物體可能擁有暗能量的核心。

這些所謂的“暗能量泛型體”(GEODEs)起來就像一個黑洞(如圖),但沒有一個引力幾乎無窮大的奇點

這些所謂的“暗能量泛型體”(GEODEs)起來就像一個黑洞(如圖),但沒有一個引力幾乎無窮大的奇點

暗能量的作用與引力相反,物理學家用暗能量來解釋為什么宇宙的膨脹率在不斷增加。主流理論認為,暗能量均勻地存在于宇宙中,但在1966年,一位俄羅斯科學家提出了一個激進的理論,認為暗能量會形成聚合體。

在近期的兩項新研究中,天體物理學家凱文·克羅克(Kevin Croker)和數學家喬爾·維納(Joel Weiner)提出,這樣的暗能量天體完全符合宇宙膨脹的方程。當然,目前這些天體只存在于理論上,它們的奇特性質(比如在宇宙膨脹時獲得質量)可以解釋一些未解之謎。例如,如果碰撞的黑洞由暗能量構成,那么科學家在2016年發現的合并黑洞的質量就能更容易解釋。

宇宙不僅在膨脹,而且隨著時間的流逝,膨脹的速度越來越快

宇宙不僅在膨脹,而且隨著時間的流逝,膨脹的速度越來越快

夏威夷大學的研究人員研究的是弗里德曼方程,這組方程基于愛因斯坦的廣義相對論(解釋了質量和能量如何扭曲空間和時間),從數學上描述了宇宙是如何膨脹的。此前,研究弗里德曼方程的科學家認為,沒有必要考慮中子星和黑洞等超高密度孤立天體的內部性質,而是可以將物質當作是均勻分布的。

然而,克羅克和韋納教授發現,需要從數學上考慮這些超高密度區域,才能準確認識到它們對宇宙的影響。“我們證明了只有一種方法可以正確地(構建這些方程),”克羅克教授在接受媒體采訪時表示,“如果你用的方法正確,你就會發現一些有趣的事情。”

“80年來,我們一直在一種假設下進行研究,即宇宙大體上不受任何一個小區域的具體細節影響,”克羅克教授說,“現在很清楚,廣義相對論可以將坍縮的恒星——和火奴魯魯的大小差不多——與整個宇宙的行為聯系起來,而宇宙的體積要大上萬億倍。”

對于2016年發現的合并黑洞(想象圖),如果將碰撞的黑洞改為暗能量泛型體,其質量變化將會更容易解釋

對于2016年發現的合并黑洞(想象圖),如果將碰撞的黑洞改為暗能量泛型體,其質量變化將會更容易解釋

這兩位科學家認為,黑洞實際上可能是暗能量的超高密度團塊,而非擁有一個引力變得無窮大的奇點,這些暗能量團被稱為“暗能量泛型體”(Generic Objects of Dark Energy),簡稱GEODEs。

暗能量是一種假想的能量形式,能對宇宙施加負壓,抵消引力的影響,從而解釋宇宙為什么在加速膨脹。在目前廣為接受的模型中,暗能量是時空的一種固有屬性,均勻地存在于整個宇宙中,而不是集中于某種暗能量泛型體。

俄羅斯物理學家埃拉斯特·格里納(Erast Gliner)在1966年首次提出了暗能量泛型體的概念,他認為這種天體是由非常大的恒星坍縮形成的。如果暗能量泛型體存在,那它們就可以包含所有的暗能量,并解釋為什么宇宙似乎在加速膨脹。“如果我們認為的黑洞實際上沒有奇點,那么宇宙的加速膨脹就自然而然是愛因斯坦廣義相對論的結果,”克羅克博士說道。

根據研究人員的說法,弗里德曼的方程表明,隨著時間的推移,暗能量泛型體會不斷獲得質量,即使宇宙膨脹導致它們沒有物質可供消耗。

我們也可以觀察到光有類似但相反的現象。當所經過的空間膨脹時,光會以一種叫做紅移的效應失去能量,而對物質而言,則會失去質量。雖然這種效應很微小,幾乎可以忽略不計,但對于像暗能量泛型體這樣的超密度物體來說,這種效應會變得非常顯著。盡管暗能量的作用與正常能量和物質相反,它會獲得而不是失去質量或能量。

“光是一種奇怪的東西。在很多方面,它的表現都與直覺相反,”克羅克教授說,“人們沒有想到這種行為也會在其他物體上表現出來。但是我們的研究顯示,沒錯,你可以在另一個物體上看到它。”

雖然暗能量泛型體仍然處于假設階段,但它們的存在將有助于為物理學家解開一些謎團。例如,2016年,美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)的科學家報告稱,他們首次觀測到兩個黑洞合并產生的引力波。然而,他們發現黑洞的質量很不尋常,要么比預測的高,要么比預測的低。為了解釋這一現象,LIGO團隊不得不將這兩個黑洞的起源定位在一個所謂的“低金屬豐度”空間,那里比氫和氦更重的元素含量較低,因此非常罕見。

然而,如果這兩個黑洞實際上是暗能量泛型體,那它們的奇怪質量就可以簡單地得到解釋:它們自形成以來由于宇宙膨脹而獲得了質量。“我們的研究表明,如果確實存在暗能量泛型體,那么它們很容易導致目前所觀測到的現象,而這些現象還缺乏令人信服的解釋,”克羅克和韋納教授說,“我們預測了暗能量泛型體可能導致的許多其他觀測結果,也包括許多將其排除在外的情況。我們才剛剛邁出第一步。”

然而,其他一些科學家對此仍持懷疑態度。里斯本高等技術研究所的物理學家維托•卡多索(Vitor Cardoso)教授并未參與此次研究,他表示,這項研究“有違直覺,難以理解”。不過,他也認為探索這種可能性是有價值的。

“我喜歡尋找黑洞的替代理論,這會迫使我們加強黑洞的范式,”卡多索教授說,“而且,如果我們不去尋找,有時就很難有所發現。”

克羅克等研究人員將他們的發現結果寫成了兩篇論文,一篇發表在近期的《天體物理學雜志》(The Astrophysical Journal ),另一篇則發表在預印本網站arXiv上,尚未經過同行評審。

什么是暗能量?

物理學家用暗能量來描述一種神秘的“東西”,它會導致宇宙中發生不尋常的現象。宇宙中充滿了物質,而萬有引力將所有物質拉在一起。到了1998年,哈勃太空望遠鏡對非常遙遠的超新星的觀測表明,很久以前,宇宙的膨脹速度實際上比今天慢得多。

因此,宇宙的膨脹并沒有像大家所想的那樣,由于引力作用而越來越慢(畢竟大爆炸已經過去了近140億年),相反,宇宙隨時間推移在不斷加速膨脹。沒有人預料到這一點,也沒有人知道如何解釋。但科學家認為,一定是什么東西引起這種現象。

在主流理論中,暗能量是某種作用于時空結構本身的能量,并且是均勻的負壓力,會導致時空結構膨脹。暗能量充溢著宇宙空間,能很好地解釋目前對宇宙加速膨脹的觀測結果。在宇宙標準模型中,暗能量大約占據宇宙68.3%的質能。(任天)

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