太阳质量黑洞的起源和与暗物质的联系

时间：2022-01-21 12:52:05 来源：

黑洞的起源是什么？这个问题如何与另一个神秘事物-暗物质的本质-联系在一起？暗物质占宇宙物质的大部分，但其性质仍然未知。

激光干涉仪重力波天文台（LIGO）在过去几年中发现了多个合并的黑洞的引力波检测技术，该技术与2017年诺贝尔物理学奖获得者基普·索恩（Kip Thorne），巴里·巴里什（Barry Barish）和赖纳·韦斯（Rainer Weiss）共同纪念。授予安德烈亚·盖兹（Andrea Ghez），莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）的2020年物理学诺贝尔奖庆祝了黑洞的存在的明确确认。因此，了解黑洞的起源已成为物理学的中心问题。

出乎意料的是，LIGO最近观测到一个2.6太阳质量黑洞候选者（事件GW190814，在Astrophysical Journal Letters 896（2020）2，L44中报道）。假设这是一个黑洞，而不是异常庞大的中子星，它是从哪里来的？

太阳质量黑洞特别引人入胜，因为传统的恒星演化天体物理学无法预料到它们。这样的黑洞可能出现在早期的宇宙中（原始黑洞），或者被现有中子星“ stars变”。在早于恒星和星系形成之前，早期宇宙中可能已经形成了一些黑洞。这样的原始黑洞可能构成部分或全部暗物质。如果中子星捕获了原始黑洞，则黑洞会从内部消耗中子星，从而将其转变为太阳质量的黑洞。无论原始黑洞有多小，此过程都会产生大量太阳质量黑洞。其他形式的暗物质也可能在中子星内部积聚，导致其最终坍塌成太阳质量黑洞。

图1。[左]一个中子星捕获了一个很小的原始黑洞，随后吞噬了它，并留下了一个“变形的”太阳质量黑洞残余。[右]由于延迟或快速超新星形成的中子星形成后，““变”的太阳质量黑洞的预期质量分布。还显示了具有2.6个太阳质量黑洞候选者的LIGO GW190814事件。

发表在《物理评论快报》上的一项新研究进行了一项决定性测试，以研究太阳质量黑洞的起源。这项工作是由卡夫里宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU）研究员Volodymyr Takhistov领导的，国际团队包括大学的杰出物理学教授兼大学天体物理学与空间科学中心主任George M. Fuller。加州圣地亚哥分校的院士，以及加州大学洛杉矶分校物理与天文学教授亚历山大·库森科（Alexander Kusenko）和Kavli IPMU的访问高级科学家。

正如研究所讨论的那样（参见图1），中子星留下的“变质”太阳质量黑洞被暗物质吞噬（微小的原始黑洞或粒子暗物质的积累）应遵循原始宿主中子的质量分布星。由于预期中子星的质量分布将在1.5太阳质量附近达到峰值，因此不太可能是由暗物质与中子星相互作用而产生的较重的太阳质量黑洞。这表明，LIGO探测到的此类事件如果确实构成黑洞，则可能起源于早期的宇宙，从而极大地影响了我们对天文学的理解。未来的观察将使用该测试来调查和识别黑洞的起源，

此前（见Fuller，Kusenko，Takhistov，Physical Review Letters 119（2017）6，061101），同一国际研究人员小组也证明中子星的破裂原始的小黑洞造成的观测信号种类繁多，并且可以帮助我们理解长期存在的天文难题，例如重元素（例如金和铀）的起源以及从511中心观测到的511 keV伽玛射线过量我们的银河系。

参考：Volodymyr Takhistov，George M. Fuller和Alexander Kusenko撰写的“太阳质量黑洞起源测试”，2021年2月16日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.126.071101

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