宇宙中的暗物质,它们和黑洞是什么关系?
黑洞和暗物质乍一看,貌似也没啥关系啊!其实它们还是有点渊源的。这里就有个故事,在上世纪70年代,有个原始微型黑洞也就是量子黑洞的概念,这些微型黑洞当时就被认为大量存在于宇宙中,也构成了暗物质的一部分!也就是说宇宙大爆炸时期创造了这些微型黑洞!最后一直跟随着宇宙大尺度结构的形成,如果微型黑洞存在,那么黑洞就和暗物质有联系,它可能是暗物质的组成部分!我们先从典型黑洞说起。
那么经典的恒星黑洞是否和暗物质有关?典型黑洞和暗物质的形成时间和机理明显不一样,它和暗物质是绝对没有关系的!
暗物质属于物质的一种形式,目前认为是存在与标准模型之外的粒子,它们最可能的性质是:冷的缓慢移动弱相互作用大质量粒子!形成的时间被认为是在大爆炸时期或者大报纸之前的宇宙暴涨时期!
而一个典型的黑洞一般被认为是大质量恒星死亡后核心坍缩后的结果!形成的时期肯定是在中性原子形成、气体云坍缩形成第一代恒星以后,宇宙才有机会诞生一个典型的黑洞!所以现在来看经典的恒星黑洞和暗物质是没有关系的!我们下面来看看宇宙是否创造了微型黑洞,如果微型黑洞真的大量存在,那么它们就有可能是暗物质的组成部分!
目前被科学界接受的两种黑洞形式大爆炸理论给我们带来最显著的结果就是:我们已知的宇宙可以充满行星、恒星、星系和生命,而且宇宙并不是一直存在的,它也有起点,有年龄!因为宇宙在膨胀和冷却,那么在过去宇宙的温度更高、密度更大、体积更小。
但是今天充斥宇宙的物质并不存在于宇宙的早期阶段,而是花了很长时间才演化而来的。引力至少需要数百万年的时间,才能使密度稍微高的区域坍缩形成第一颗恒星,更不用说形成星系和星系团,这将花费更多的时间。那么黑洞呢?关于黑洞就有这么一个问题:宇宙诞生时就创造了黑洞,还是黑洞也需要等上几百万年的时间才能在引力的作用下形成?这个问题很关键,它能告诉我们宇宙是否充斥了大量的微型黑洞!
目前关于黑洞有两种已知的类型。一种类型是,一些8倍或者几十倍太阳质量的恒星,死亡后会在其核心留下一个几倍或几十倍太阳质量的小黑洞!也是最常见的黑洞形式!
像这样的小黑洞,在银河系中有大量的候选体,用红色表示如下图所示。这些黑洞所能提供的引力也远远不够暗物质带来的效果!
另外一种类型就是更大质量的黑洞。这种黑洞的范围从太阳质量的数千倍(上图紫色的)到星系中心的超大质量黑洞(蓝色的)。而超大质量黑洞的质量可以是太阳质量的数百万倍(银河系的400万倍)也可以是太阳质量的数十亿倍(M87的65亿倍)。我们所知的每个大星系的中心都有一个超大质量的黑洞。除了这些已知的黑洞,还不足以解释星系的引力质量和光度质量之间的差异!
以上两种黑洞类型以被科学界普遍接受,但还有一种类型偶尔也会引起一些关注:微型黑洞!这种黑洞的质量比单个恒星要小,但却比一座山的质量大(否则它们早就蒸发掉了),这些微型黑洞可能散布在整个宇宙,包括我们的星系,被推测是暗物质的一个重要组成部分。
微型黑洞是否存在?微型黑洞的想法是在20世纪70年代和80年代发展起来的,现在我们对宇宙的了解比那时肯定多得多。那么当宇宙刚诞生的时候,需要怎样的条件才能诞生这些微小的黑洞?这个想法是否可行?
如果想让物质在空间的任何区域发生引力坍缩,创造出任何结构,甚至是黑洞,宇宙就需要在微小的区域内有足够大的能量密度来克服宇宙的膨胀。根据我们对结构形成的理解,一旦某一区域的能量密度比平均水平高出约68%,就会发生失控坍塌,科学家们称之为非线性结构形成。
所以,如果想让宇宙在诞生初期就创造出微型黑洞,就需要空间的许多微小区域的能量密度比平均能量密度高出68%。那么宇宙是否有这样的条件呢?
宇宙大爆炸微波辐射中的温度波动,或者说偏离平均温度的情况。我们今天看到的平均温度是2.725开尔文。所以,如果存在温度在4k左右的区域,和温度在1k左右的区域,那么在大爆炸后很短的时间内就会形成微型黑洞,并且大量的充斥在宇宙空间中!
根据对微波辐射波动的测量,实际的温度波动远没有达到开尔文温标;最多是几十到几百个微开尔文,而且观察的尺度越来越小,波动也会变得越来越小,只比平均水平高出了0.003%。
总结:就目前来看,黑洞和暗物质没啥关系所以,微型黑洞的想法很好,但它并不存在于真实的物理宇宙。而黑洞和暗物质的唯一一点联系也就断了,事实也证明我们的宇宙中只存在典型的黑洞,宇宙大爆炸并没有创造出微型黑洞!
综上对黑洞的分析,我们就可以知道,它和暗物质真的一点关系都没有!至少目前来看是这个样子的!