周一 · 知古通今|周二 · 牧夫?qū)?/p>

周三 · 太空探索|周四 · 觀測指南

周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 視頻天象

原作：Andy Tomaswick

翻譯：馬藝朔

校對：鐘藝

編排：王璞

后臺：朱宸宇

原文鏈接：https://www.universetoday.com/articles/primordial-black-holes-could-have-accelerated-early-star-formation

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的遙遠(yuǎn)星系團(tuán)內(nèi)彌散星光圖像。圖源：美國宇航局（NASA）、歐洲空間局（ESA）以及M. Montes（新南威爾士大學(xué)）。

探尋暗物質(zhì)的本質(zhì)，需要我們傾盡所有最頂尖的模型、理論和奇思妙想。加州大學(xué)圣克魯茲分校（UCSC）的Julia Monika Koulen, Stefano Profumo和Nolan Smyth發(fā)表的一篇新論文，就深入探討了一種頗受關(guān)注的暗物質(zhì)的可能候選者——原初黑洞的大小與豐度。

在早期宇宙的研究中，第一代恒星的形成是一個(gè)里程碑式的事件，無論在象征意義還是字面意義上，它都照亮了此后的時(shí)光。天體物理學(xué)家稱這些最早的恒星為 “第三星族恒星”。這個(gè)命名方式體現(xiàn)了天文學(xué)特有的古怪但奇妙之處——它們之所以叫“第三星族”，是因?yàn)樗鼈兪堑谌N被發(fā)現(xiàn)的恒星類型。年輕的、“富金屬”恒星（如我們的太陽）構(gòu)成 “第一星族”，年長的、“貧金屬”恒星構(gòu)成 “第二星族”。而第三星族恒星則應(yīng)該是完全不含“金屬”的（此處“金屬”指除氫以外的所有元素），因?yàn)槟墚a(chǎn)生這些元素的核聚變過程那時(shí)尚未發(fā)生。

由于我們從未直接觀測到第三星族恒星，對它們的了解少之又少。但我們?nèi)钥梢酝ㄟ^模擬這些恒星及其所處的環(huán)境，來增進(jìn)對它們以及誕生它們的宇宙的理解。這正是UCSC研究團(tuán)隊(duì)這篇論文所嘗試的工作。科學(xué)家們認(rèn)為，這些恒星形成于一種稱為 “迷你暗物質(zhì)暈” 的空間區(qū)域中，這些暈主要由暗物質(zhì)構(gòu)成。因此，科學(xué)家們一直在探索這些迷你暈究竟是由什么組成的。

原初黑洞宇宙演化史概念圖示。圖源：歐洲航天局ESA

原初黑洞（PBHs）是主要的候選者之一，它們可能構(gòu)成了這些暗物質(zhì)暈，或者至少與之發(fā)生過相互作用。理解這些奇特的天體對最早恒星形成的影響，或許能為我們提供線索，判斷它們是否能作為那更大范圍存在的“暗物質(zhì)”的有力候選者，而這暗物質(zhì)至今仍然在影響宇宙的引力演化。

然而，模擬它們比想象中困難得多。UCSC的研究人員使用了一個(gè)名為 GIZMO 的軟件包，來模擬早期宇宙的兩個(gè)主要組成部分——流體動(dòng)力學(xué)和 N體引力場景。流體動(dòng)力學(xué)嘗試捕捉塵埃和氣體如何影響最早恒星形成的過程，而N體引力部分則試圖求解眾多大質(zhì)量天體在彼此靠近高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的引力影響。

模擬從宇宙極早期開始，采用了科學(xué)家們作為大爆炸宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的λ-冷暗物質(zhì)模型。此外，還添加了一個(gè)名為 GRACKLE 的庫來處理氣體冷卻動(dòng)力學(xué)——這對恒星的形成同樣有著重大影響。

經(jīng)過大量的模擬運(yùn)算，研究人員發(fā)現(xiàn)原初黑洞可能扮演兩種截然不同的角色。它們要么充當(dāng) “種子”，導(dǎo)致恒星的形成遠(yuǎn)早于其他預(yù)測；要么充當(dāng) “抑制者”，使得恒星形成所需的時(shí)間遠(yuǎn)比最初預(yù)測的要長。

小型原初黑洞藝術(shù)構(gòu)想圖。現(xiàn)實(shí)中，此類微型黑洞難以形成能產(chǎn)生可見輻射的吸積盤。 圖源：美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心。

如果早期宇宙中的原初黑洞有著極大質(zhì)量（即質(zhì)量是太陽的100倍或以上），那么它們會(huì)持續(xù)地、更快地為早期宇宙播下恒星的種子。其作用機(jī)制是增強(qiáng)密度的漲落強(qiáng)度，進(jìn)而產(chǎn)生更多可供恒星形成的暗物質(zhì)迷你暈。值得注意的是，如果早期宇宙中存在大量的大質(zhì)量原初黑洞，第一代恒星的出現(xiàn)時(shí)間可能比現(xiàn)有模型預(yù)測的要早得多——這個(gè)精妙的預(yù)測本身可被證偽——只要獲得足夠多的第三族恒星觀測數(shù)據(jù)就能驗(yàn)證。

質(zhì)量較小的原初黑洞（質(zhì)量約為太陽的10倍）在早期宇宙中的作用則更為復(fù)雜。如果它們的數(shù)量不多，這些黑洞實(shí)際上會(huì)抑制 恒星的形成。它們通過 “潮汐加熱” 來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，即升高那些通常會(huì)冷卻并坍縮形成第一代恒星的氣體溫度。

另一方面，如果早期宇宙中充斥著大量的小質(zhì)量原初黑洞，它們反而會(huì)加速恒星形成。這靠的是它們累積的引力作用，即所謂的 “泊松效應(yīng)”。實(shí)際上，它們的作用方式與大質(zhì)量原初黑洞類似，都是作為氣體和塵埃聚集的重心。

這些模擬研究最棒的地方在于，它們?yōu)槲覀儗慝@取關(guān)于最早恒星的數(shù)據(jù)提供了不同的解讀思路。如果恒星形成得很早，那可能是超大質(zhì)量原初黑洞的功勞，也可能是大量小質(zhì)量黑洞共同作用的結(jié)果。然而，如果研究發(fā)現(xiàn)第一代恒星形成得較晚，這就為“早期宇宙存在相對較小質(zhì)量的原初黑洞”與暗物質(zhì)搜尋產(chǎn)生的潛在影響提供了有力論據(jù)。

歸根結(jié)底，在收集到更多數(shù)據(jù)之前，我們無法下定論。詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡目前是我們達(dá)成目標(biāo)的最大希望，但它需要獲得足夠的觀測時(shí)間，才能專注于這項(xiàng)數(shù)據(jù)收集工作。其他天文臺，如平方公里陣列（SKA），則可能徹底變革 21厘米譜線宇宙學(xué)，這對于回溯到足夠久遠(yuǎn)的宇宙，親眼見證第一代恒星正式“點(diǎn)亮”的時(shí)刻至關(guān)重要。當(dāng)我們最終獲得這些數(shù)據(jù)時(shí)，這篇論文以及眾多其他研究中的預(yù)測，都將迎來最終的檢驗(yàn)。

責(zé)任編輯：DAIKIN

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

微信公眾號：astronomycn

圖片來源網(wǎng)絡(luò)

謝謝閱讀