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我們?nèi)绾翁綔y(cè)原子大小的原始黑洞？

發(fā)布時(shí)間：2025-12-08 14:00:21 來(lái)源：骨軟筋酥網(wǎng) 作者：探索

藝術(shù)家繪制的NGC 6397星系中心小黑洞的聚集。Credit: ESA/Hubble,原大原始 N. Bartmann., CC BY-SA
（神秘的地球uux.cn）據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（by Oscar del Barco Novillo, The Conversation）：愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中最有趣的預(yù)言之一是黑洞的存在:引力場(chǎng)如此強(qiáng)大的天文物體，甚至連光都無(wú)法逃離它們。黑洞
當(dāng)足夠大質(zhì)量的探測(cè)恒星耗盡燃料時(shí)，它會(huì)爆炸，原大原始剩余的黑洞核心會(huì)坍縮，導(dǎo)致恒星黑洞的探測(cè)形成(從3到100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量不等)。
超大質(zhì)量黑洞也存在于大多數(shù)星系的原大原始中心。這些是黑洞最大類(lèi)型的黑洞，質(zhì)量比我們的探測(cè)太陽(yáng)大十萬(wàn)到一百億倍。
到目前為止，原大原始天文學(xué)家已經(jīng)捕捉到了兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的黑洞圖像:一個(gè)在星系M87的中心，最近的探測(cè)一個(gè)在我們的銀河系(人馬座A*)。
但人們認(rèn)為存在另一種黑洞——原始黑洞(PBHs)。原大原始這些黑洞與其他黑洞有著不同的黑洞起源，它們是在早期宇宙中通過(guò)密度極高區(qū)域的引力坍縮而形成的。
理論上，這些原始黑洞可以擁有任何質(zhì)量，大小可以從一個(gè)亞原子粒子到幾百公里。例如，質(zhì)量相當(dāng)于珠穆朗瑪峰的PBH可能只有一個(gè)原子大小。
這些微小的黑洞比它們的大質(zhì)量黑洞以更快的速度失去質(zhì)量，發(fā)出所謂的霍金輻射，直到它們最終蒸發(fā)。
到目前為止，天文學(xué)家還未能觀測(cè)到PBHs。這是一個(gè)正在進(jìn)行的研究課題，因?yàn)榧僭O(shè)這些超致密物體可能是長(zhǎng)期尋找的宇宙暗物質(zhì)的一部分。
在最近的一份出版物中，提出了一種探測(cè)原子大小的原始黑洞的替代方案。在這項(xiàng)研究中，研究了這些微小黑洞之一與宇宙中密度最大的物體之一(中子星)之間相互作用的特征信號(hào)。
在開(kāi)始這個(gè)新的天體物理模型之前，讓我們先來(lái)評(píng)論一下這些迷人恒星的主要特征。
宇宙中密度最大的物體之一
如前所述，當(dāng)大質(zhì)量恒星耗盡燃料時(shí)，它會(huì)爆炸，其核心會(huì)坍塌，從而產(chǎn)生恒星黑洞。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，并不是所有的情況都是如此:例如，如果坍縮核心的質(zhì)量小于大約三個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，就會(huì)形成中子星。

一個(gè)孤立的原始黑洞的再造。Credit: NASA/ESA and G. Bacon (STScI)
這些都是非常小且密度極高的物體。例如，假設(shè)一顆質(zhì)量為1.5倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星被壓縮成一個(gè)直徑只有20公里(相當(dāng)于曼哈頓島大小)的球體。
中子星的密度非常高:一湯匙的恒星物質(zhì)會(huì)重達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸！
最年輕的中子星屬于被稱(chēng)為脈沖星的子類(lèi)，它們以極高的速度旋轉(zhuǎn)(甚至比廚房攪拌器還快)。這些脈沖星以窄波束的形式發(fā)出輻射，周期性地到達(dá)地球。
隨著時(shí)間的推移，這些物體冷卻下來(lái)，失去了旋轉(zhuǎn)速度，難以探測(cè)(只有最活躍的脈沖星被觀測(cè)到)。
原子大小的PBH與中子星的相互作用
原始黑洞可能位于暗物質(zhì)密度非常高的星系區(qū)域。因此，它們可以漫游宇宙(以不同的速度和方向移動(dòng))，并最終與其他天文物體(如黑洞或中子星)相互作用。
從這個(gè)意義上說(shuō)，一個(gè)原子大小的PBH可能會(huì)遇到一顆古老的中子星(它的溫度非常低，幾乎失去了所有的旋轉(zhuǎn)速度)。根據(jù)最近的研究，這些相遇的頻率大約是每年20次。然而，這些相互作用中的大部分將很難觀察到(由于距離地球的巨大距離和適當(dāng)?shù)姆较?。
考慮兩種可能的情況:第一，當(dāng)PBH被中子星捕獲時(shí)，第二，當(dāng)微小的黑洞從遠(yuǎn)距離進(jìn)入，繞過(guò)NS，然后再次向外移動(dòng)到“無(wú)限遠(yuǎn)”(即散射事件)。根據(jù)特定的軌道(捕獲或散射),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)特的信號(hào)。
上述信號(hào)被稱(chēng)為伽馬射線(xiàn)爆發(fā)(GRB)，可能是宇宙中最活躍的事件之一。
一種特殊的GRB
這些高能瞬態(tài)輻射持續(xù)數(shù)毫秒至數(shù)小時(shí)，其來(lái)源位于距離地球數(shù)十億光年的地方。大量的能量以非常窄的光束形式釋放出來(lái)。
較短的伽瑪暴是由中子星或黑洞合并引起的，而較長(zhǎng)的爆發(fā)源于大質(zhì)量恒星(所謂的超新星)的死亡。
在我們這個(gè)特殊的例子中，GRB持續(xù)了大約35秒，有一個(gè)非常特殊的條件:一個(gè)平穩(wěn)而持續(xù)的發(fā)射，然后在僅僅百分之幾秒的時(shí)間里突然而快速地下降。
原子大小的PBH探測(cè):一項(xiàng)不可能的任務(wù)？
考慮到尋找如此微小的黑洞的復(fù)雜性，這不是一個(gè)容易回答的問(wèn)題。
盡管如此，如果這樣一個(gè)特定的GRB被現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡測(cè)量到(并且與這項(xiàng)研究中報(bào)告的特定特征相匹配)，那么可以認(rèn)為在早期宇宙中發(fā)生了一次古老的PBH-中子星相互作用。
換句話(huà)說(shuō)，它將提供這種低質(zhì)量原始黑洞的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，這是斯蒂芬·霍金的基本預(yù)測(cè)之一。
這不是一項(xiàng)容易的任務(wù)(也許，這樣的伽瑪暴可能永遠(yuǎn)不會(huì)被發(fā)現(xiàn))，但我們不能完全排除這種可能性:只有時(shí)間會(huì)告訴我們。

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