暗物質不是由迷你原初黑洞構成的

作者 | 發布日期 2019 年 04 月 27 日 0:00 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly

宇宙物質約有 85% 是暗物質(dark matter),但暗物質僅能透過與一般物質的重力交互作用察覺它們的存在。

科學家一直對成分不明的暗物質感到好奇,有各式各樣的理論和實驗解釋暗物質組成,例如建設地下實驗室捕捉暗物質粒子,或是利用如大強子撞擊器(Large Hadron Collider)這類加速器實驗來偵測暗物質,但,都失敗了。其中一項理論是霍金(Hawking)於 1974 年提出的假說,認為暗物質可能大部分由直徑小於 0.1 公釐的迷你原初黑洞(primordial black hole)所組成,而這些迷你原初黑洞是在宇宙大爆炸後不久產生的。但東京大學卡弗里數物連攜宇宙研究機構(Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe,Kavli IPMA)Masahiro Takada 等人最新研究指出:這個假設應該可以捨棄了。

Takada 等人利用重力透鏡效應(gravitational lensing effect)尋找地球到仙女座星系(Andromeda galaxy,M31)之間的原初黑洞,亦即若有黑洞通過遠方天體前方時,會折曲遠方天體發出的光,在某些極端案例中,這樣折曲的效果可使遠方天體的亮度比原來亮很多。

然而,重力透鏡效應事件非常稀少,所以為了增加事件偵測到的次數,這些科學家使用位在夏威夷山頂的昴望遠鏡(Subaru)配置超廣角相機(Hyper Suprime-Cam,HSC),可一次將整個 M31 捕捉至同一畫面。考慮原初黑洞可能在星際空間的移動速度,這些科學家訂出要拍攝的影像幅數,期望能捕捉到時間達數分鐘到數小時的重力透鏡引起的 M31 星系內恆星變亮事件。

Takada 等人從某個晴朗的夜晚,連續拍攝 7 個多小時、共 190 幅的 M31 影像中搜尋原初黑洞。如果暗物質是由質量比月球還小的原初黑洞組成,那麼在這些影像中應該要發現約 1,000 個重力透鏡事件。然而小心分析之後,最後只確認了一個重力透鏡事件,只有期望值的 0.1%。他們由此得出結論:霍金的原初黑洞組成暗物質的理論,錯了!

這些科學家目前正在計劃進一步延伸發展他們的 M31 分析法。其中一個他們想探究的新理論是:LIGO 等偵測器偵測到重力波的黑洞雙星,是否就是原初黑洞呢?這是個頗有趣的課題,且讓我們拭目以待。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖為被暗物質包圍環繞的地球想像圖;來源:NASA/JPL-Caltech [Public domain], via Wikimedia Commons