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天文學家提出一個理論不僅解釋了暗物質的存在 而且還解釋了宇宙中最大黑洞的出現
發布時間：2025-12-08 13:35:04 來源：骨軟筋酥網 作者：時尚
天文學家提出一個理論不僅解釋了暗物質的存在 而且還解釋了宇宙中最大黑洞的出現
（神秘的地球uux.cn報道）據cnBeta：在20世紀70年代，霍金提出，學家現暗物質，個理即構成宇宙中大多數物質的僅解無形物質，可能是釋暗釋宇由大爆炸最早時刻形成的黑洞構成。現在，物質三位天文學家提出了一個理論，存的出不僅解釋了暗物質的還解黑洞存在，而且還解釋了宇宙中最大黑洞的宙中最出現。
這份研究報告的天文提出共同作者、耶魯大學的學家現天體物理學家普里亞姆瓦達-納塔拉詹（Priyamvada Natarajan）在一份聲明中說："我個人認為這個想法超級令人興奮的是，它優雅地將我所從事的個理兩個真正具有挑戰性的問題，即探測暗物質的僅解性質和黑洞形成與增長統一起來，并一舉解決了它們。釋暗釋宇更重要的物質是，一些新的儀器，包括剛剛發射的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡，可以產生最終評估霍金這個著名概念所需的數據。
暗物質占宇宙中所有物質的80%以上，但它不會以任何方式與光直接互動。 它只是漂浮在巨大的周圍，影響星系內的重力。它很容易讓人想到黑洞可能是生產這種難以捉摸東西的原因。畢竟，黑洞是出了名的黑暗，所以用黑洞填滿一個星系，在理論上可以解釋所有對暗物質的觀察。不幸的是，在現代宇宙中，黑洞只有在大質量恒星死亡后才會形成，然后在其自身引力的作用下坍塌。所以制造黑洞需要許多恒星，這需要一堆正常物質。科學家們通過對早期宇宙的計算，知道宇宙中有多少正常物質，在那里形成了第一批氫和氦。而且，根本沒有足夠的正常物質來制造天文學家觀察到的所有暗物質。
霍金在1971年提出，黑洞是在大爆炸最初的混亂環境中形成的。在那里，小塊的物質可以自發地達到制造黑洞所需的密度，在第一顆恒星閃爍之前就已經充斥著宇宙。霍金提出，這些"原始"黑洞可能是暗物質的來源。雖然這個想法很有趣，但大多數天體物理學家卻專注于尋找一種新的亞原子粒子來解釋暗物質。更重要的是，原始黑洞形成的模型遇到了觀測上的問題。如果在早期宇宙中形成了太多的黑洞，它們就會改變早期宇宙剩余輻射的圖景，也就是所謂的宇宙微波背景（CMB）。這意味著該理論只有在古代黑洞的數量和大小相當有限的情況下才有效，否則它將與CMB的測量結果相沖突。.
2015年，當激光干涉儀引力波天文臺發現第一對碰撞的黑洞時，這個想法又被重新提起。這兩個黑洞比預期的要大得多，解釋其大質量的一種方法是說它們形成于早期宇宙，而不是在垂死的恒星的心中。在最新的研究中，Natarajan、邁阿密大學的Nico Cappelluti和歐洲航天局的Günther Hasinger深入研究了原始黑洞的理論，探索它們如何解釋暗物質并可能解決其他宇宙學挑戰。為了通過目前的觀測測試，原始黑洞必須在一定的質量范圍內。在新的工作中，研究人員假設原始黑洞的質量大約是太陽質量的1.4倍。他們構建了一個宇宙模型，用這些相當輕的黑洞取代所有的暗物質，然后他們尋找可以驗證（或排除）該模型的觀測線索。
研究小組發現，原始黑洞可能在宇宙中發揮了重要作用，它為第一批恒星、第一批星系和第一批超大質量黑洞（SMBHs）提供了種子。觀測結果表明，恒星、星系和SMBHs在宇宙學歷史中出現得非常快，也許快得無法用我們在當今宇宙中觀察到的形成和增長過程來解釋。如果原始黑洞真的存在，它們很可能是所有超大質量黑洞形成的種子，包括位于銀河系中心的那個。
而且這個理論很簡單，不需要用新粒子的動物園來解釋暗物質。這項研究表明，在不引入新粒子或新物理學的情況下，就可以解決現代宇宙學中從暗物質本身的性質到超大質量黑洞的起源等謎團。到目前為止，這個想法只是一個模型，但它是一個可以相對較快地被測試的模型。詹姆斯-韋伯太空望遠鏡在推遲多年后于圣誕節發射，專門用來回答有關恒星和星系起源的問題。下一代引力波探測器，特別是激光干涉儀空間天線（LISA），準備揭示更多關于黑洞的信息，包括原始黑洞。 這兩個太空天文臺加在一起，應該給天文學家提供足夠的信息來拼湊第一批恒星的故事，并可能發現暗物質的起源。
相關報道：霍金關于大爆炸的最終理論對多元宇宙規模提出了制約
（神秘的地球uux.cn報道）據cnBeta：霍金教授與魯汶大學的托馬斯·赫托格教授合作研究的關于宇宙起源的最后理論于2018年發表在《Journal of High Energy Physics》上。該理論是在霍金于2018年早些時候去世前提交發表的，它以弦理論為基礎，預測宇宙是有限的，且遠比目前許多關于大爆炸的理論說得簡單。
赫托格教授的工作得到了歐洲研究理事會的支持，他在2017年7月霍金教授75歲生日之際在劍橋大學舉辦的一次會議上首次宣布了這一新理論。
現代大爆炸理論預測，我們本地的宇宙是隨著一陣短暫的膨脹而出現的--換句話說，在大爆炸本身之后的一小部分時間里，宇宙以指數的速度膨脹。然而人們普遍認為，一旦膨脹開始，有些地區的通脹就不會停止。人們認為，在宇宙的某些區域，量子效應可以使膨脹永遠持續下去，因此從整體上看，膨脹是永恒的。這樣，我們宇宙的可觀測部分就只是一位好客的袖珍宇宙，一個膨脹已經結束、恒星和星系形成的區域。
“通常的永恒膨脹理論預測，在全球范圍內，我們的宇宙就像一個無限的分形，它有著不同的袖珍宇宙的馬賽克，被一個膨脹的海洋分開，”霍金在2017年的一次采訪中說道，“當地的物理和化學定律可以從一個袖珍宇宙到另一個袖珍宇宙而有所不同，這將共同形成一個多元宇宙。但我從來都是多元宇宙的粉絲。如果多元宇宙中不同宇宙的規模很大或無限大，那么理論就無法得到檢驗。”
霍金和赫托格在他們的論文中指出，這種將永恒膨脹作為大爆炸理論的說法是錯誤的。赫托格表示：“關于永恒膨脹的通常說法的問題是，它假設了一個現有的背景宇宙，該宇宙根據愛因斯坦的廣義相對論演化并將量子效應視為圍繞此的小波動。然而，永恒膨脹的動力學抹去了經典和量子物理學之間的分離。因此，愛因斯坦的理論在永恒膨脹中崩潰。”
“我們預測，我們的宇宙在最大的尺度上是合理平滑和全球有限的。所以它不是一個分形結構，”霍金說道。
霍金和赫托格提出的永恒膨脹理論是基于弦理論得出。他們所使用的方法采用了弦理論中的全息概念，該概念假設宇宙是一個巨大而復雜的全息圖：某些三維空間的物理現實可以在數學上簡化為表面上的二維投影。
霍金和赫托格發展了這個全息論概念的一個變種，即在永恒膨脹中投射出時間維度。這使他們得以描述永恒膨脹而不必依賴愛因斯坦的理論。在新理論中，永恒膨脹被簡化為一個在時間開始時定義在空間表面的永恒狀態。
赫托格表示：“當我們向后追蹤我們的宇宙的演變時，在某一點上我們到達了永恒膨脹的門檻，在那里我們熟悉的時間概念不再有任何意義。”
霍金早期的“無邊界理論”預測，如果你回到宇宙的起點，宇宙會像球體一樣縮小和關閉，但這個新理論代表了離早期工作的一步。“現在我們說，在我們的過去有一個邊界，”赫托格說道。
赫托格和霍金利用他們的新理論得出了關于宇宙全球結構的更可靠的預測。他們預測，在過去的邊界上，從永恒膨脹中出現的宇宙是有限的，這遠比永恒膨脹的舊理論所預測的無限分形結構簡單。
他們的結果如果被進一步的工作證實，則將對多元宇宙范式產生深遠的影響。霍金指出：“我們并沒有淪落到一個單一的、獨特的宇宙，但我們的發現意味著多元宇宙的大幅縮減，進而變成了一個小得多的可能宇宙的范圍。”這使得該理論更具預測性和可測試性。
赫托格現在計劃在我們的太空望遠鏡可以觸及的較小尺度上研究新理論的影響。他認為，原始的引力波--時空的漣漪--在永恒膨脹的出口處產生，從而構成了測試該模型的最有希望的“煙霧彈”。我們的宇宙自始至終都在膨脹，這意味著這種引力波會有很長的波長，在目前LIGO探測器的范圍之外。但它們可能會被計劃中的歐洲天基引力波觀測站LISA聽到或在未來測量宇宙微波背景的實驗中看到。
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