黑洞只占宇宙暗物质的一小部分

一个超新星(左下方的亮点)及其宿主星系(上方的中心),就像它们被引力作用在中间的黑洞(中心)的作用下会出现一样。黑洞的引力场扭曲并放大了图像,使银河系和超新星都更加明亮。如果黑洞是宇宙中物质的主要形式,那么引力放大的超新星将会相当频繁地发生。缺乏这些发现可以用来限制黑洞的质量和丰度。MiguelZumalacárregui图片,加州大学伯克利分校

在2015年检测到碰撞的黑洞产生的引力波后的一瞬间,天文学家寄希望于宇宙神秘的暗物质可能由遍布整个宇宙的大量黑洞组成。

加州大学伯克利分校的物理学家破灭了那些希望。

根据对2014年发现的740颗最亮的超新星的统计分析,以及它们都没有被隐藏的黑洞“引力透镜”放大或变亮的事实,研究人员得出结论,原始黑洞无法再弥补比宇宙中约40%的暗物质原始的黑洞只能在大爆炸的最初几毫秒之内产生,因为宇宙集中质量为太阳的数十倍或几百倍的区域坍塌成一百公里宽的物体。

结果表明,宇宙的暗物质没有一个由重的黑洞或任何类似的物体组成,包括巨大的致密光环物体,即所谓的MACHO。

暗物质是天文学上最令人尴尬的难题之一:尽管它占宇宙物质的84.5%,但没人能找到它。拟议的暗物质候选物质的质量跨度接近90个数量级,从像斧头这样的超轻粒子到MACHO。

一些理论家提出了多种暗物质类型的方案。但是,如果暗物质由几个不相关的成分组成,则每个成分都需要对其起源进行不同的解释,这使得模型非常复杂。

“我可以想象这是两种类型的黑洞,非常重和非常轻的黑洞,或者黑洞和新粒子。但是在这种情况下,其中一个组件比另一个组件要重几个数量级,因此需要以相当多的数量生产它们。伯克利宇宙中心玛丽·居里全球研究员米格尔·祖玛拉卡吉(MiguelZumalacárregui)说,我们将从天体物理学的东西变成真正微观的东西,甚至可能是宇宙中最轻的东西,这都很难解释。物理。

同一团队尚未发布的再分析,使用了1,048个超新星的更新列表,将极限值减少了一半,最大达到约23%,进一步打破了暗物质黑洞提议的大门。

“我们回到了标准讨论。什么是暗物质?确实,我们已经没有好的选择了,”伯克利大学物理学和天文学教授,BCCP联合主任UrošSeljak说。“这是对子孙后代的挑战。”

该分析在本周发表在《物理评论快报》上的一篇论文中进行了详细介绍。

暗物质透镜

他们的结论基于这样一个事实,即看不见的原始黑洞或任何大型紧实物体的聚集,将在引力作用下弯曲并放大来自遥远物体进入地球的光。因此,引力透镜会影响遥远的Ia型超新星发出的光。这些是爆炸星,科学家已将它们用作标准的亮度源,用于测量宇宙距离并记录宇宙的膨胀。

Zumalacárregui对亮度和距离超新星的数据进行了复杂的统计分析,这些数据被分类为两个汇编-联盟中的580,联合光曲线分析(JLA)目录中的740-得出的结论是,八个新星的亮度和距离应比星状星的亮度高十分之几。根据对这些超新星随着时间的推移会变亮和变暗的观察结果得出的百分比比预期的高。尚未检测到此类增亮。

其他研究人员进行了类似但更简单的分析,但得出的结论没有定论。但是祖玛拉卡·雷吉(Zumalacárregui)包含了看到所有放大倍数(从小到大)的精确概率,以及每个超新星的亮度和距离的不确定性。他说,即使是低质量的黑洞,也就是太阳质量的百分之一,也应该有一些高度放大的遥远超新星。

Zumalacárregui说:“您看不到对一个超新星的这种影响,但是当将它们全部放在一起并进行完整的贝叶斯分析时,您会开始对暗物质施加非常强的约束,因为每个超新星都非常重要,并且其中有很多。”分析中包括的超新星越多,距离越远,约束就越严格。万神殿目录中1,048颗明亮的超新星的数据提供的上限甚至比新发表的分析还要低(23%)。

Seljak在1990年代后期发表了一篇论文,提出了这种类型的分析,但是当人们的兴趣从寻找大型物体MACHO转向寻找基本粒子,特别是弱相互作用的大粒子或WIMP时,后续计划就被搁置了。 。到那时,许多实验都排除了大多数质量和类型的MACHO,几乎没有发现这种物体的希望。

当时,也只发现了少量的遥远的Ia型超新星并测量了它们的距离。

只有在LIGO的观察再次提出问题之后,Seljak和Zumalacárregui才着手进行复杂的分析以确定暗物质的极限。

Seljak说:“有趣的是,LIGO事件中黑洞的数量正确,而黑洞尚未被排除为暗物质。”“这是一个有趣的巧合,使所有人兴奋不已。但这是一个巧合。”

出版物:MiguelZumalacárregui和UrošSeljak,“来自Ia型超新星引力透镜的恒星质量致密物体作为暗物质的限制”,物理。莱特牧师121、141101; doi:10.1103 / PhysRevLett.121.141101

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