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黑洞可能是暗能量团?能解释黑洞合并的质量变化

时间:2019-11-06 09:30:53 来源:新浪科技 评论:澳门威尼斯人注册手机版下载 点击:0
  北京时间11月6日消息,一项新研究称,一些黑洞实际上可能是暗能量团,这一观点对主流的天体物理学理论提出了质疑。
 

  夏威夷大学马诺阿分校的研究人员对解释宇宙膨胀的数学方程进行了重新审视,得出了这一结论。科学家通常认为,黑洞是太空中引力过于强大,以至于光线都无法逃逸的区域。黑洞的核心是所谓的奇点,具有近乎无穷大的质量和引力,使其周围的空间和时间弯曲。然而,在这项新研究中,研究人员提出,一些看起来像黑洞的物体可能拥有暗能量的核心。

  这些所谓的“暗能量泛型体”(GEODEs)起来就像一个黑洞(如图),但没有一个引力几乎无穷大的奇点

  暗能量的作用与引力相反,物理学家用暗能量来解释为什么宇宙的膨胀率在不断增加。主流理论认为,暗能量均匀地存在于宇宙中,但在1966年,一位俄罗斯科学家提出了一个激进的理论,认为暗能量会形成聚合体。

  在近期的两项新研究中,天体物理学家凯文·克罗克(Kevin Croker)和数学家乔尔·维纳(Joel Weiner)提出,这样的暗能量天体完全符合宇宙膨胀的方程。当然,目前这些天体只存在于理论上,它们的奇特性质(比如在宇宙膨胀时获得质量)可以解释一些未解之谜。例如,如果碰撞的黑洞由暗能量构成,那么科学家在2016年发现的合并黑洞的质量就能更容易解释。

宇宙不仅在膨胀,而且随着时间的流逝,膨胀的速度越来越快

  夏威夷大学的研究人员研究的是弗里德曼方程,这组方程基于爱因斯坦的广义相对论(解释了质量和能量如何扭曲空间和时间),从数学上描述了宇宙是如何膨胀的。此前,研究弗里德曼方程的科学家认为,没有必要考虑中子星和黑洞等超高密度孤立天体的内部性质,而是可以将物质当作是均匀分布的。

  然而,克罗克和韦纳教授发现,需要从数学上考虑这些超高密度区域,才能准确认识到它们对宇宙的影响。“我们证明了只有一种方法可以正确地(构建这些方程),”克罗克教授在接受媒体采访时表示,“如果你用的方法正确,你就会发现一些有趣的事情。”

  “80年来,我们一直在一种假设下进行研究,即宇宙大体上不受任何一个小区域的具体细节影响,”克罗克教授说,“现在很清楚,广义相对论可以将坍缩的恒星——和火奴鲁鲁的大小差不多——与整个宇宙的行为联系起来,而宇宙的体积要大上万亿倍。”

  对于2016年发现的合并黑洞(想象图),如果将碰撞的黑洞改为暗能量泛型体,其质量变化将会更容易解释

  这两位科学家认为,黑洞实际上可能是暗能量的超高密度团块,而非拥有一个引力变得无穷大的奇点,这些暗能量团被称为“暗能量泛型体”(Generic Objects of Dark Energy),简称GEODEs。

  暗能量是一种假想的能量形式,能对宇宙施加负压,抵消引力的影响,从而解释宇宙为什么在加速膨胀。在目前广为接受的模型中,暗能量是时空的一种固有属性,均匀地存在于整个宇宙中,而不是集中于某种暗能量泛型体。

  俄罗斯物理学家埃拉斯特·格里纳(Erast Gliner)在1966年首次提出了暗能量泛型体的概念,他认为这种天体是由非常大的恒星坍缩形成的。如果暗能量泛型体存在,那它们就可以包含所有的暗能量,并解释为什么宇宙似乎在加速膨胀。“如果我们认为的黑洞实际上没有奇点,那么宇宙的加速膨胀就自然而然是爱因斯坦广义相对论的结果,”克罗克博士说道。

  根据研究人员的说法,弗里德曼的方程表明,随着时间的推移,暗能量泛型体会不断获得质量,即使宇宙膨胀导致它们没有物质可供消耗。

  我们也可以观察到光有类似但相反的现象。当所经过的空间膨胀时,光会以一种叫做红移的效应失去能量,而对物质而言,则会失去质量。虽然这种效应很微小,几乎可以忽略不计,但对于像暗能量泛型体这样的超密度物体来说,这种效应会变得非常显著。尽管暗能量的作用与正常能量和物质相反,它会获得而不是失去质量或能量。

  “光是一种奇怪的东西。在很多方面,它的表现都与直觉相反,”克罗克教授说,“人们没有想到这种行为也会在其他物体上表现出来。但是我们的研究显示,没错,你可以在另一个物体上看到它。”

  虽然暗能量泛型体仍然处于假设阶段,但它们的存在将有助于为物理学家解开一些谜团。例如,2016年,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)的科学家报告称,他们首次观测到两个黑洞合并产生的引力波。然而,他们发现黑洞的质量很不寻常,要么比预测的高,要么比预测的低。为了解释这一现象,LIGO团队不得不将这两个黑洞的起源定位在一个所谓的“低金属丰度”空间,那里比氢和氦更重的元素含量较低,因此非常罕见。

  然而,如果这两个黑洞实际上是暗能量泛型体,那它们的奇怪质量就可以简单地得到解释:它们自形成以来由于宇宙膨胀而获得了质量。“我们的研究表明,如果确实存在暗能量泛型体,那么它们很容易导致目前所观测到的现象,而这些现象还缺乏令人信服的解释,”克罗克和韦纳教授说,“我们预测了暗能量泛型体可能导致的许多其他观测结果,也包括许多将其排除在外的情况。我们才刚刚迈出第一步。”

  然而,其他一些科学家对此仍持怀疑态度。里斯本高等技术研究所的物理学家维托•卡多索(Vitor Cardoso)教授并未参与此次研究,他表示,这项研究“有违直觉,难以理解”。不过,他也认为探索这种可能性是有价值的。

  “我喜欢寻找黑洞的替代理论,这会迫使我们加强黑洞的范式,”卡多索教授说,“而且,如果我们不去寻找,有时就很难有所发现。”

  克罗克等研究人员将他们的发现结果写成了两篇论文,一篇发表在近期的《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal ),另一篇则发表在预印本网站arXiv上,尚未经过同行评审。

  什么是暗能量?

  物理学家用暗能量来描述一种神秘的“东西”,它会导致宇宙中发生不寻常的现象。宇宙中充满了物质,而万有引力将所有物质拉在一起。到了1998年,哈勃太空望远镜对非常遥远的超新星的观测表明,很久以前,宇宙的膨胀速度实际上比今天慢得多。

  因此,宇宙的膨胀并没有像大家所想的那样,由于引力作用而越来越慢(毕竟大爆炸已经过去了近140亿年),相反,宇宙随时间推移在不断加速膨胀。没有人预料到这一点,也没有人知道如何解释。但科学家认为,一定是什么东西引起这种现象。

  在主流理论中,暗能量是某种作用于时空结构本身的能量,并且是均匀的负压力,会导致时空结构膨胀。暗能量充溢着宇宙空间,能很好地解释目前对宇宙加速膨胀的观测结果。在宇宙标准模型中,暗能量大约占据宇宙68.3%的质能。

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