2018-10-02 22:28:02
黑洞排除了宇宙中缺少的暗物质

在2015年探测到碰撞黑洞产生的引力波后的一瞬间,天文学家希望宇宙中神秘的暗物质可能由散布在宇宙各处的大量黑洞组成。
加州大学伯克利分校的物理学家们粉碎了这些希望。

基于对截至2014年发现的740颗最亮超新星的统计分析,以及这些超新星没有一颗被隐藏的黑洞“引力透镜”放大或照亮的事实,研究人员得出结论,原始黑洞可以构成宇宙中暗物质的不超过40 %。原始黑洞只能在大爆炸的最初几毫秒内产生,因为宇宙中质量集中的区域是太阳的几十倍或几百倍,坍塌成一百公里宽的物体。

结果表明,宇宙中没有一个暗物质由重黑洞或任何类似的物体组成,包括大质量致密光环物体,即所谓的MACHOs。

暗物质是天文学上最尴尬的难题之一:尽管占宇宙中物质的84.5 %,但没有人能找到它。从像axions这样的超轻粒子到MACHOs,提出的暗物质候选物质的质量跨越了近90个数量级。

一些理论家提出了存在多种暗物质的场景。但是如果暗物质由几个不相关的成分组成,每个成分都需要对其来源有不同的解释,这使得模型非常复杂。

“我可以想象它是两种类型的黑洞,非常重和非常轻的黑洞,或者黑洞和新粒子。但是在这种情况下,其中一种成分比另一种成分重几个数量级,它们需要以相当的丰度生产。伯克利宇宙物理中心的玛丽·居里全球研究员、主要作者米格尔·祖马拉瑞吉说:“我们将从天体物理学走向真正微观的东西,甚至可能是宇宙中最轻的东西,这很难解释。”

该小组利用最新的1048颗超新星名单进行了一项尚未公布的再分析,将上限降低了一半,最大为约23 %,进一步关闭了暗物质黑洞提案的大门。

“我们又回到了标准的讨论。什么是暗物质?事实上,我们已经没有好的选择了,”加州大学伯克利分校物理和天文学教授兼BCCP联合主任乌拉斯·塞尔雅克说。“这是对后代的挑战。"

这项分析在本周发表在《物理评论快报》上的一篇论文中有详细描述。
暗物质透镜
他们的结论是基于这样一个事实,即一个看不见的原始黑洞群体,或者任何巨大的致密物体,会在重力作用下弯曲并放大来自遥远物体的光线。因此,重力透镜应该会影响来自遥远的Ia型超新星的光。科学家们用这些爆炸的恒星作为标准亮度源来测量宇宙距离并记录宇宙的膨胀。

zumalacarregui对两个汇编中收录的关于超新星亮度和距离的数据进行了复杂的统计分析——580个在联合光曲线分析( JLA )目录中,740个在联合光曲线分析( JLA )目录中——并得出结论,根据对超新星如何随着时间的推移而变亮和变暗的观察,8个超新星应该比预测亮几个百分点。没有检测到这种亮色。

其他研究人员也进行了类似但更简单的分析,得出了不确定的结果。但是zumalacarregui包含了看到所有放大倍数的精确概率,从小到大,以及每个超新星亮度和距离的不确定性。他说,即使对于低质量黑洞——太阳质量的1 %——也应该有一些高度放大的遥远超新星,但是没有。

zumalacarregui说:“你看不到这种效应对一颗超新星的影响,但是当你把它们放在一起并进行完整的贝叶斯分析时,你就开始对暗物质施加非常强的约束,因为每颗超新星都很重要,而且你有很多。”分析中包含的超新星越多,离得越远,约束就越紧。泛神论目录中1048颗明亮超新星的数据提供了比新发表的分析更低的上限——23 %。

seljak在20世纪90年代末发表了一篇论文,提出了这种类型的分析,但是当人们的兴趣从寻找大物体MACHOs转向寻找基本粒子,特别是弱相互作用的大粒子,或者WIMPs时,后续计划就被搁置了。到那时,许多实验已经排除了大多数质量和类型的机器,几乎没有发现这些物体的希望。

当时,也只发现了少数遥远的Ia型超新星,并测量了它们的距离。
直到LIGO观测再次提出这个问题后,Seljak和zumalacalarregui才开始进行复杂的分析,以确定暗物质的极限。
Seljak说:“有趣的是,LIGO事件中的大量黑洞正处于黑洞尚未被排除为暗物质的位置。”“这是一个有趣的巧合,让每个人都很兴奋。但这是巧合。"

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