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研究人員表示,暗物質可能已將銀河系中心附近的自轉恆星變成了黑洞。 在那裡,科學家們原本期望看到大量被稱為脈衝星的稠密、旋轉恆星,脈衝星在整個銀河系中相當常見。 然而,儘管進行了多次搜尋,但只發現了一個脈衝星,這引發了所謂的“缺失脈衝星問題”。 一項新的研究表明,一種可能的解釋是,暗物質在這些恆星內部積聚,導致脈衝星坍縮成黑洞。(這些黑洞將比被認為潛伏在星系中心的超大質量黑洞更小。)
宇宙似乎充滿了看不見的暗物質,暗物質既看不見也摸不著,但卻對普通物質施加引力。 科學家們對暗物質可能由什麼構成有幾種想法,但沒有一種得到證實。 一種主要的觀點認為,暗物質由被稱為弱相互作用重粒子 (WIMP) 的粒子組成,傳統上認為 WIMP 同時具有物質和反物質的特性。 反物質的性質對這個故事很重要。 當物質和反物質相遇時,它們會在強烈的爆炸中互相湮滅——因此當兩個普通的 WIMP 碰撞時,它們會互相湮滅。
但暗物質也可能以物質和反物質兩種形式存在,就像普通物質一樣。 如果這種被稱為不對稱暗物質的觀點是正確的,那麼兩個暗物質粒子不會互相湮滅,兩個暗反物質粒子也不會互相湮滅,但如果每種型別的一個粒子相遇,兩者就會爆炸。 在這種情況下,兩種型別的暗物質都應該在大爆炸期間大量產生(正如人們認為普通物質和普通反物質都是產生的一樣),但這些粒子中的大多數會互相摧毀,而現在剩下的那些將只是設法避免被湮滅的一種型別的少量過剩。
如果暗物質是不對稱的,它的行為將與普通版本的 WIMP 不同。 例如,恆星稠密的中心應該在引力上吸引附近的暗物質。 如果暗物質是由普通 WIMP 構成的,那麼當兩個 WIMP 在恆星中心相遇時,它們會互相摧毀,因為它們是自身的反物質對應物。 但是在不對稱暗物質圖景中,今天剩下的所有暗物質都只由其兩種型別中的一種構成——物質或反物質。 如果這兩個相似的粒子相遇,它們就不會湮滅,因此暗物質會隨著時間的推移在恆星內部簡單地積累。 最終,恆星的核心會變得太重而無法支撐自身,從而坍縮成黑洞。 根據 11 月 3 日發表在《物理評論快報》上的一項研究,這可能就是銀河系中心脈衝星發生的事情。
墨爾本大學的物理學家雷蒙德·沃爾卡斯(Raymond Volkas)說,這種情況是合理的,他沒有參與這項研究,但缺失脈衝星問題很容易透過已知的恆星效應得到平凡的解釋。 “如果能有不對稱暗物質的引人注目的直接天體物理學證據,那當然是令人興奮的,”沃爾卡斯說。 “在相信不對稱暗物質的解釋之前,我想先確信沒有標準的解釋是可行的。”
該研究的作者,聖母大學的約瑟夫·布拉曼特(Joseph Bramante)和芝加哥大學卡弗裡宇宙物理研究所的蒂姆·林登(Tim Linden)都同意,現在就匆忙得出暗物質的結論還為時過早。 例如,林登說,也許對銀河系中心的射電觀測不如科學家們假設的那樣徹底,缺失的脈衝星會在更好的搜尋中出現。 星星形成中的一些怪癖也可能限制了在銀河系中心形成的脈衝星數量。
附近脈衝星不會受到不對稱暗物質的如此大的影響的原因是,任何型別的暗物質都應該在星系核心最密集,在那裡它應該在自身引力的作用下聚集。 即使在那裡,暗物質也需要很長時間才能積累到足以摧毀脈衝星的程度,因為大多數暗物質粒子會直接穿過恆星而不發生相互作用。 只有在極少數情況下,當一個暗物質粒子非常接近普通粒子時,它才會發生碰撞,然後它將被困在那裡。 在普通恆星中,核心的普通粒子不夠密集,無法捕獲許多暗物質粒子。 但在超稠密的脈衝星中,它們可能會積累到足以造成破壞的程度。 布拉曼特說:“暗物質無法像在普通恆星中心那樣密集或快速地聚集,但在脈衝星中,暗物質會聚整合一個大約兩米的球。 然後這個球坍縮成一個黑洞,它會吞噬脈衝星。”
如果這種情況是正確的,一個結果將是,脈衝星離暗物質密集的銀河系中心越遠,壽命應該越長。 例如,在銀河系的遙遠邊緣,脈衝星可能會活到很老的年齡; 然而,在核心附近,脈衝星會在被創造出來後很快被摧毀,然後才能老化。 林登說:“沒有什麼天體物理學預測脈衝星的年齡與其距星系中心的距離之間存在非常強的關係。 “如果這種情況成立,你真的會看到驚人的效果。” 天文學家也可能觀察到脈衝星坍縮成黑洞,從而驗證該理論,儘管這可能不太可能。 但是一旦黑洞被創造出來,就幾乎不可能探測到:由於暗物質和黑洞都是無法觀測的,因此由暗物質製成的黑洞將是雙重隱形的。