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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

哈勃太空望遠鏡拍攝的遙遠星系團內彌散星光圖像。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）。

探尋暗物質的本質，需要我們傾盡所有最頂尖的模型、理論和奇思妙想。加州大學圣克魯茲分校（UCSC）的Julia Monika Koulen, Stefano Profumo和Nolan Smyth發表的一篇新論文，就深入探討了一種頗受關注的暗物質的可能候選者——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光。天體物理學家稱這些最早的恒星為 “第三星族恒星”。這個命名方式體現了天文學特有的古怪但奇妙之處——它們之所以叫“第三星族”，是因為它們是第三種被發現的恒星類型。年輕的、“富金屬”恒星（如我們的太陽）構成 “第一星族”，年長的、“貧金屬”恒星構成 “第二星族”。而第三星族恒星則應該是完全不含“金屬”的（此處“金屬”指除氫以外的所有元素），因為能產生這些元素的核聚變過程那時尚未發生。

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。但我們仍可以通過模擬這些恒星及其所處的環境，來增進對它們以及誕生它們的宇宙的理解。這正是UCSC研究團隊這篇論文所嘗試的工作。科學家們認為，這些恒星形成于一種稱為 “迷你暗物質暈” 的空間區域中，這些暈主要由暗物質構成。因此，科學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，它們可能構成了這些暗物質暈，或者至少與之發生過相互作用。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”的有力候選者，而這暗物質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名為 GIZMO 的軟件包，來模擬早期宇宙的兩個主要組成部分——流體動力學和 N體引力場景。流體動力學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量天體在彼此靠近高速運動時產生的引力影響。

模擬從宇宙極早期開始，采用了科學家們作為大爆炸宇宙學標準模型的λ-冷暗物質模型。此外，還添加了一個名為 GRACKLE 的庫來處理氣體冷卻動力學——這對恒星的形成同樣有著重大影響。

經過大量的模擬運算，研究人員發現原初黑洞可能扮演兩種截然不同的角色。它們要么充當 “種子”，導致恒星的形成遠早于其他預測；要么充當 “抑制者”，使得恒星形成所需的時間遠比最初預測的要長。

小型原初黑洞藝術構想圖。現實中，此類微型黑洞難以形成能產生可見輻射的吸積盤。 圖源：美國宇航局戈達德太空飛行中心。

如果早期宇宙中的原初黑洞有著極大質量（即質量是太陽的100倍或以上），那么它們會持續地、更快地為早期宇宙播下恒星的種子。其作用機制是增強密度的漲落強度，進而產生更多可供恒星形成的暗物質迷你暈。值得注意的是，如果早期宇宙中存在大量的大質量原初黑洞，第一代恒星的出現時間可能比現有模型預測的要早得多——這個精妙的預測本身可被證偽——只要獲得足夠多的第三族恒星觀測數據就能驗證。

質量較小的原初黑洞（質量約為太陽的10倍）在早期宇宙中的作用則更為復雜。如果它們的數量不多，這些黑洞實際上會抑制 恒星的形成。它們通過 “潮汐加熱” 來實現這一點，即升高那些通常會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量原初黑洞，它們反而會加速恒星形成。這靠的是它們累積的引力作用，即所謂的 “泊松效應”。實際上，它們的作用方式與大質量原初黑洞類似，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，它們為我們將來獲取關于最早恒星的數據提供了不同的解讀思路。如果恒星形成得很早，那可能是超大質量原初黑洞的功勞，也可能是大量小質量黑洞共同作用的結果。然而，如果研究發現第一代恒星形成得較晚，這就為“早期宇宙存在相對較小質量的原初黑洞”與暗物質搜尋產生的潛在影響提供了有力論據。

歸根結底，在收集到更多數據之前，我們無法下定論。詹姆斯·韋布空間望遠鏡目前是我們達成目標的最大希望，但它需要獲得足夠的觀測時間，才能專注于這項數據收集工作。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，這對于回溯到足夠久遠的宇宙，親眼見證第一代恒星正式“點亮”的時刻至關重要。當我們最終獲得這些數據時，這篇論文以及眾多其他研究中的預測，都將迎來最終的檢驗。

責任編輯：DAIKIN

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