宇宙中的暗物质是怎样的,如果遇到黑洞会怎样?
广义上黑洞是暗物质的一种,但不是暗物质的最主要成分。黑洞一般认为还是由普通物质塌缩形成的。而宇宙中暗物质的主要成分是非重子暗物质。也就是说,大多数的暗物质和构成可见世界的普通物质不一样,不是质子,中子,电子这样的物质。
上世纪,星系旋转曲线观测让天文学家相信星系中确实存在大量看不见的物质。当时天文学家曾提出黑洞,流浪的行星都可能是暗物质候选者。这类候选者有一个特点,就是体积小,很致密。人们有时统称它们为MACHO (massive compact halo object)。七十代末,第一个引力透镜系统被发现。不久后,Bohdan Paczyński 和Charles Alcock 组成了两个独立研究组,试图用引力透镜方法搜索银河系中的MACHO。
他们的方法很巧妙,用望远镜持续观测大麦哲伦云和银河系中心恒星密集的地方。如果银河系中存在大量看不见的黑洞或者流浪木星。它们的引力透镜效应会使得远处的恒星亮度发生短暂的变化。这种效应被称作微引力透镜。
微引力透镜现象示意图。左边图中地球和黄色的恒星中间,有一个致密的天体(红色圆点)飞过。它的引力透镜效应使得恒星的视亮度突然增强后又减弱(见图右侧亮度变化曲线)。两个项目确实都发现了大量的恒星闪烁。但分析的结果显示这种闪烁大多源于恒星的内秉变化(比如说恒星本身就是变星),或者双星绕转。只有极少的闪烁事件符合黑洞模型的预言。这说明暗物质如果存在,空间分布应该比较平缓,所以基本排除了暗物质是MACHO的可能,也就是说黑洞是不足够解释宇宙中暗物质总量的。
顺便说一句,段森除了握御亩微引力透镜研究,还有其他证据显示暗物质不应该是普通物质。例如,假设暗物质是普通物质,微波背景辐射上的温度涨落就显得太小,无法形成今天的宇宙结构。而非重子暗物质的存在可以解决这个问题,因为它们不和光子发生碰撞可以比普通物质更早地聚集。再比如,如果宇宙中物质全是拆态原子物质,那么宇宙早期会形成比较多的3He, 相比之下,今天观测中看到的3He就太少了。