宇宙中最早的黑洞究竟是在大爆炸發(fā)生后 1 秒鐘內(nèi)形成的，還是在大爆炸后的百萬(wàn)年后早期恒星死亡時(shí)形成的，這是一個(gè)長(zhǎng)期困擾著天體物理學(xué)界的問(wèn)題。
近日，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的物理學(xué)家們對(duì)宇宙早期黑洞的形成，以及它們?cè)谥卦?Heavy Elements，如金、鉑和鈾)出現(xiàn)過(guò)程中所扮演的角色提出了新的理論。研究成果刊登在物理學(xué)評(píng)論快報(bào)上。
圖丨早期黑洞與中子星相撞后產(chǎn)生重元素的理論解釋了為何觀測(cè)到的銀河系中心區(qū)域中子星數(shù)量稀少
UCLA 物理教授 Alexander Kusenko 和研究生 Eric Cotner 提出了一種新穎簡(jiǎn)潔的理論，他們認(rèn)為早期黑洞可能形成于大爆炸后不久，早于成熟恒星出現(xiàn)的時(shí)間。有天文學(xué)家曾提出，這些早期黑洞或可解釋宇宙中全部或部分暗物質(zhì)的形成原因，還有可能是銀河系中心超大黑洞的前身。而在這次 Alexander 和 Eric 的新理論中，形成于宇宙早期的黑洞或許在自然界重元素的形成過(guò)程中起了作用。
在研究中，科學(xué)家們首先考慮大爆炸后的宇宙中存在著的一個(gè)均勻能量場(chǎng)，這種能量場(chǎng)被科學(xué)家認(rèn)為僅存在于遙遠(yuǎn)的過(guò)去。在宇宙迅速擴(kuò)張后，該能量場(chǎng)分解成了“一塊一塊”的團(tuán)狀形態(tài)，之后，重力會(huì)使這些“團(tuán)塊”相互吸引并合并。 UCLA 的研究人員提出，在吸引、合并的過(guò)程中，一些“團(tuán)塊”會(huì)變得致密，并最終成為黑洞。
Kusenko 說(shuō):“我們的理論具有一般性，并不像其他的的早期黑洞理論一樣還要以一些‘不太可能的巧合’作為理論成立的必要條件?！?/p>
在刊登的論文中，科學(xué)家認(rèn)為用天文觀測(cè)來(lái)尋找這些形成于早期宇宙的黑洞是可能的。其中的一種方法是通過(guò)測(cè)量恒星亮度(Brightness)的微小變化來(lái)進(jìn)行尋找，而這種變化恰恰就是由古老的黑洞引力效應(yīng)引起的。在今年早些時(shí)候，美國(guó)和日本的天文學(xué)家發(fā)表了一篇論文，描述了他們有關(guān)臨近星系中所發(fā)現(xiàn)的一顆恒星，該恒星忽明忽暗的亮度變化，似乎驗(yàn)證了有一個(gè)古老的黑洞正從它們前方通過(guò)。
圖丨一個(gè)被中子星捕獲的黑洞
在 Kusenko 與 UCLA 博士后研究員 Volodymyr 和 UCLA 教授 George Fuller 合作的另一個(gè)獨(dú)立研究中，他們提出形成于宇宙早期的黑洞可能在形成重金屬元素(如金，銀，鉑和鈾)過(guò)程中扮演重要角色，這類過(guò)程有可能正在我們或其他星系中發(fā)生著。
然而，重元素的起源對(duì)科研人員來(lái)說(shuō)一直是一個(gè)謎一般的存在。Kusenko 說(shuō):“科學(xué)家們知道這些重元素的存在，但卻并不清楚它們究竟是如何形成的?！?/p>
UCLA 的研究認(rèn)為，一個(gè)形成于宇宙早期的黑洞會(huì)時(shí)不時(shí)地與中子星發(fā)生碰撞，最終并沉入到中子星內(nèi)部(中子星是恒星在超新星爆炸后的殘余，約一座城市大小，可自轉(zhuǎn))。
Kusenko 認(rèn)為，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，黑洞會(huì)從內(nèi)部不斷消耗掉中子星，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)持續(xù) 1 萬(wàn)年左右。之后，中子星隨著自身的收縮，自轉(zhuǎn)會(huì)變得越來(lái)越快，最終導(dǎo)致一些小的部分被甩離本體。而這些富含中子的分離部分，很可能就是重元素的來(lái)源。
然而，Kusenko 同時(shí)表示，中子星捕獲黑洞的可能性非常低，這種低概率與只有少量星系富含重元素的觀察結(jié)果一致。形成于宇宙早期的黑洞與中子星相撞以產(chǎn)生重元素的理論也解釋了觀測(cè)到的銀河系中心區(qū)域中子星數(shù)量稀少的問(wèn)題，這也是天體物理學(xué)中的一個(gè)未解之謎。
在今年晚些時(shí)候，Kusenko 和同事將與普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家合作，對(duì)“中子星-黑洞”相互作用產(chǎn)生的重元素的過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，并希望能通過(guò)將模擬結(jié)果與臨近星系中重元素的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，來(lái)判斷地球上存在的金、鉑和鈾是否來(lái)源于形成于早期宇宙中的黑洞。
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