LIGO和室女座重力波探測器偵測到了大質量黑洞群，它們的起源是現代天文學中最大的謎團之一。根據一種假設，這些天體可能形成於宇宙的早期，並可能構成暗物質–一種充滿宇宙的神秘物質。一個科學家小組宣布了長達近20 年的觀測結果，顯示這種大質量黑洞可能只佔暗物質的百分之幾。因此，引力波源需要另一種解釋。

從地球向大麥哲倫雲觀測到的黑洞引起的微透鏡事件的藝術家印象圖。位於大麥哲倫雲的一顆背景恆星的光線被銀河系光暈中的一個推定原始黑洞（透鏡）彎曲，從地球上觀測時被放大。微透鏡導致背景恆星的亮度發生極具特徵性的變化，從而可以確定透鏡的質量和距離。圖片來源：J. Skowron / OGLE。大麥哲倫雲的背景圖像：由Kevin Loch 使用ESA/Gaia 資料庫編寫的bsrender 產生。圖片來源：J. Skowron / OGLE。大麥哲倫雲端的背景圖片：由Kevin Loch 使用ESA/Gaia 資料庫編寫的bsrender 產生。

研究結果發表在《自然》 和《 天文物理學雜誌增刊系列》的兩篇文章中。這項研究是由華沙大學天文台OGLE（光學重力透鏡實驗）調查的科學家進行的。

各種天文觀測表明，我們可以看到或觸摸到的普通物質只佔宇宙總質量和總能量的5%。在銀河系中，恆星中每一磅普通物質就對應15 磅”暗物質”，它們不發射任何光，只透過引力相互作用。

“暗物質的本質仍然是一個謎。大多數科學家認為它是由未知的基本粒子組成的，”兩篇文章的第一作者、華沙大學天文台的Przemek Mróz 博士說。 「不幸的是，儘管經過數十年的努力，但沒有任何實驗（包括利用大型強子對撞機進行的實驗）發現可能是暗物質的新粒子”。

透過銀河系光環看到的大質量天體對大麥哲倫雲的預期微透鏡事件與觀測到的微透鏡事件的比較。如果宇宙中的暗物質由推定的原始黑洞組成，那麼在2001-2020 年的OGLE 勘測中將會偵測到500 多個微透鏡事件。而實際上，OGLE計畫只偵測到了13次微光事件，很可能是由普通恆星引起的。圖片來源：J. Skowron / OGLE。大麥哲倫雲端背景圖片：由Kevin Loch 使用ESA/Gaia 資料庫編寫的bsrender 產生。圖片來源：J. Skowron / OGLE。大麥哲倫雲端的背景圖片：由Kevin Loch 使用ESA/Gaia 資料庫編寫的bsrender 產生。

原始黑洞的奧秘與潛力

自2015 年首次探測到一對黑洞合併產生的引力波以來，LIGO和室女座實驗已偵測到90 多個此類事件。天文學家注意到，LIGO 和室女座探測到的黑洞質量（20-100 個太陽質量）通常比銀河系中已知的黑洞質量（5-20​​ 個太陽質量）大得多。

Mróz 博士說：”解釋為什麼這兩個黑洞群如此不同，是現代天文學最大的謎團之一。”

一個可能的解釋是，LIGO 和室女座探測器發現了可能在宇宙早期形成的原始黑洞群。 50 多年前，英國著名理論物理學家史蒂芬-霍金（Stephen Hawking）首次提出了原始黑洞的存在，蘇聯物理學家雅科夫-澤爾多維奇（Yakov Zeldovich）也獨立提出了這個觀點。

「我們知道，早期宇宙並不是理想的均質宇宙–微小的密度波動產生了現在的星系和星系團，」Mróz 博士說。 “類似的密度波動如果超過臨界密度對比，就可能坍縮並形成黑洞。”

自從首次偵測到重力波以來，越來越多的科學家猜測，這種原始黑洞可能構成暗物質的重要部分，如果不是全部的話。

大麥哲倫雲被銀河系光環中的大質量天體透鏡化的藝術印象。圖片來源：J. Skowron / OGLE

利用微透鏡技術探索暗物質

幸運的是，這個假設可以透過天文觀測來驗證。我們觀測到銀河系中存在大量暗物質。如果它是由黑洞組成的，我們就應該能夠在我們的宇宙鄰域中偵測到它們。鑑於黑洞不會發出任何可偵測到的光，這可能嗎？

根據愛因斯坦的廣義相對論，光線可能會在大質量天體的引力場中彎曲和偏轉，這種現象稱為重力微透鏡。

“當三個物體–地球上的觀測者、光源和透鏡–在太空中幾乎理想地對齊時，就會發生微透鏡現象，”OGLE 勘測的首席研究員Andrzej Udalski 教授說。 “在微透鏡事件中，光源的光線可能會偏轉和放大，我們觀測到光源的光線會暫時變亮。”

變亮的持續時間取決於透鏡天體的品質：品質越大，時間越長。太陽質量天體的微透鏡事件通常會持續數週，而質量比太陽大100 倍的黑洞的微透鏡事件則會持續數年。

利用引力微透鏡研究暗物質的想法並不新鮮。 20 世紀80 年代，波蘭著名天文物理學家博赫丹-帕欽斯基首次提出了這個想法。他的想法激發了三大實驗的啟動：波蘭的OGLE、美國的MACHO 和法國的EROS。這些實驗的首批結果表明，質量小於一個太陽質量的黑洞可能只佔暗物質的不到10%。不過，這些觀測對時間尺度極長的微透鏡事件並不敏感，因此對大質量黑洞也不敏感，類似最近用重力波探測器偵測到的那些黑洞。

智利拉斯坎帕納斯天文台（由卡內基科學研究所營運）夜景。 OGLE 計畫觀測站以及大麥哲倫雲和小麥哲倫雲。圖片來源：Krzysztof Ulaczyk

OGLE 的長期觀察研究

在《天文物理學雜誌增刊系列》（Astrophysical Journal Supplement Series）的這篇新文章中，OGLE天文學家介紹了對位於附近一個名為大麥哲倫雲的星系中的近8000萬顆恆星進行的長達近20年的光度監測結果，以及重力微透鏡事件的搜尋。所分析的數據是在2001年至2020年OGLE計畫的第三和第四階段收集的。

Udalski 教授說：”這組數據提供了現代天文學史上對大麥哲倫雲中恆星進行的時間最長、規模最大、最精確的測光觀測。”

第二篇文章發表在《自然》雜誌上，討論了這項發現的天文物理學後果。

Mróz博士說：”如果銀河系中的所有暗物質都是由10個太陽質量的黑洞組成，那麼我們本應探測到258個微透鏡事件。對於100 個太陽質量的黑洞，我們預計會有99 個微透鏡事件。

相較之下，OGLE 天文學家只發現了13 個微透鏡事件。他們的詳細分析表明，所有這些事件都可以用銀河系或大麥哲倫雲本身的已知恆星群來解釋，而不是用黑洞來解釋。

Mróz博士說：”這顯示大質量黑洞最多只能構成暗物質的百分之幾。”

詳細計算表明，10 個太陽質量的黑洞可能最多佔暗物質的1.2%，100 個太陽質量的黑洞佔暗物質的3.0%，1000 個太陽質量的黑洞佔暗物質的11%。

Udalski 教授說：”我們的觀測結果表明，原始黑洞不可能佔暗物質的很大一部分，同時也能解釋LIGO 和室女座觀測到的黑洞合併率。”

因此，LIGO 和室女座探測到的大質量黑洞需要其他解釋。根據一種假設，它們是大質量、低金屬度恆星演化的產物。另一種可能是，在球狀星團等高密度恆星環境中，質量較小的天體發生了合併。

Udalski 教授補充說：”我們的研究成果在未來幾十年內都會出現在天文學教科書中。”

編譯來源：ScitechDaily