原始黑洞是否存在?吞噬中子星喷出重元素成探测依据

2017年08月28日 08:44 新浪科技

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重元素或为原始黑洞存在依据重元素或为原始黑洞存在依据

  新浪科技讯 北京时间8月28日消息,据国外媒体报道,宇宙大爆炸之后,宇宙中的物质立即变得极为稠密,还会如涟漪般随意波动。会不会某些区域的密度达到足够高之后、便坍缩形成了黑洞呢?

  这种原始黑洞猜想已经在理论界流传了一段时间,部分原因是因为,它们可以提供大量构成宇宙主体的暗物质。但要检验这种黑洞是否存在,就需要它们产生某种能被我们探测到的依据。对此,理论学家有些一筹莫展。不过,三名物理学家组成的团队近日提出了一条探测依据:这种黑洞也许可以吞噬中子星,且在合适情况下,会向外喷出重元素。

  事实还是结果

  原始黑洞与通过巨恒星坍缩形成的黑洞有两点区别。其一,原始黑洞的质量悬殊巨大,有的可能连一颗恒星都不到,有的则可能重达超新星爆炸时形成的任何物质的数千倍。其中较重的黑洞更具吸引力,因为它们可以解释为何宇宙诞生后不久便出现了超大质量黑洞。

  第二点区别是,原始黑洞在宇宙时间线上出现得更早。早在恒星诞生之前,暗物质的影响就已经十分明显了,而在宇宙开始扩张之后形成的黑洞均以恒星为前身。由于原始黑洞出现得更早,也许现今暗物质中的一大部分都与其有关。不过有多项研究指出,具体多少也是有限度的。

  问题在于,无论是上述的哪一点,我们都无法进行详细考察,因此无法确定原始黑洞是否存在。因此,虽然这些天体从理论而言是成立的,但它们并没有对当今宇宙造成什么影响,使我们无从搜寻。

  但如果这次科学家所言不虚,那就是另外一回事了。在此次发表的新论文中,作者们描述了原始黑洞吞噬快速旋转的中子星时产生的特殊效果。

  邂逅中子

  请想象一个直径与曼哈顿相当、以几毫秒一圈的速度高速旋转的圆球。如果往上面放一个黑洞,会发生什么情况呢?

  这就是这篇论文要解决的根本问题。黑洞吞噬物质的速度是有限制的,因此接触黑洞后,中子星不会被立即摧毁。相反,黑洞会在中子星中央固定下来,从内到外将其吞噬一空。

  黑洞吞食中子星时,中子星会逐渐收缩。由于角动量守恒,它会旋转得越来越快。别忘了,它的旋转速度本来就够快了。最终,中子星靠近赤道的外层物质也许能够达到逃逸速度。约等于太阳质量十分之一的物质将被甩入宇宙中。

  在正常情况下,一堆中子显然不够稳定,将通过各种反应迅速转化为原子。但论文作者指出,最终的产物将是质量较重、富含中子的原子核。这一点很有意思。重原子核通常是通过“快反应过程”(r-process)形成的,即中子的快速集聚过程。这需要用中子快速轰击原子,使得原子还没来得及对前一颗中子做出反应,就已经吸收了下一颗中子。最终,原子核中的质子和中子达到了一定数量,便形成了重元素。

  虽然人们普遍认为超新星爆炸可以提供快反应过程发生的条件,但科学家仍在努力验证这一点。不过,此次发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的论文认为,这些重元素不需要超新星爆炸也可以形成。论文中指出,宇宙中重元素的分布与原始黑洞和中子星的反应结果基本一致。

  事实上,论文作者认为这种反应机制可以解答各种天文未解之谜,从非重复快速射电爆发,到超级超新星爆炸(kilonovas),再到星系产生暗物质的途径。此外,黑洞本身便含有宇宙中约10%的暗物质。

  此次研究的价值在于,它提出了一项预测。如果我们观测到了附近的超级超新星爆炸或快速射电爆发现象,引力波探测仪也许能感受到某种扰动,但随之而来的不会是黑洞旋转合并时产生的正常波形,因为黑洞已经置身于另一天体内部。目前,我们只能再等上几年,等更多的探测器被研发出来。然后继续等待观测半径内发生某起上述天文事件。(叶子)

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