暗物质黑洞可能正在摧毁银河系中心的恒星

如果暗物质以物质和反物质两种形式存在,它可能会在稠密的恒星内部积聚,从而形成黑洞
 


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研究人员表示,暗物质可能已将银河系中心附近的自转恒星变成了黑洞。 在那里,科学家们原本期望看到大量被称为脉冲星的稠密、旋转恒星,脉冲星在整个银河系中相当常见。 然而,尽管进行了多次搜索,但只发现了一个脉冲星,这引发了所谓的“缺失脉冲星问题”。 一项新的研究表明,一种可能的解释是,暗物质在这些恒星内部积聚,导致脉冲星坍缩成黑洞。(这些黑洞将比被认为潜伏在星系中心的超大质量黑洞更小。)
 
宇宙似乎充满了看不见的暗物质,暗物质既看不见也摸不着,但却对普通物质施加引力。 科学家们对暗物质可能由什么构成有几种想法,但没有一种得到证实。 一种主要的观点认为,暗物质由被称为弱相互作用重粒子 (WIMP) 的粒子组成,传统上认为 WIMP 同时具有物质和反物质的特性。 反物质的性质对这个故事很重要。 当物质和反物质相遇时,它们会在强烈的爆炸中互相湮灭——因此当两个普通的 WIMP 碰撞时,它们会互相湮灭。
 
但暗物质也可能以物质和反物质两种形式存在,就像普通物质一样。 如果这种被称为不对称暗物质的观点是正确的,那么两个暗物质粒子不会互相湮灭,两个暗反物质粒子也不会互相湮灭,但如果每种类型的一个粒子相遇,两者就会爆炸。 在这种情况下,两种类型的暗物质都应该在大爆炸期间大量产生(正如人们认为普通物质和普通反物质都是产生的一样),但这些粒子中的大多数会互相摧毁,而现在剩下的那些将只是设法避免被湮灭的一种类型的少量过剩。
 
如果暗物质是不对称的,它的行为将与普通版本的 WIMP 不同。 例如,恒星稠密的中心应该在引力上吸引附近的暗物质。 如果暗物质是由普通 WIMP 构成的,那么当两个 WIMP 在恒星中心相遇时,它们会互相摧毁,因为它们是自身的反物质对应物。 但是在不对称暗物质图景中,今天剩下的所有暗物质都只由其两种类型中的一种构成——物质或反物质。 如果这两个相似的粒子相遇,它们就不会湮灭,因此暗物质会随着时间的推移在恒星内部简单地积累。 最终,恒星的核心会变得太重而无法支撑自身,从而坍缩成黑洞。 根据 11 月 3 日发表在《物理评论快报》上的一项研究,这可能就是银河系中心脉冲星发生的事情。
 
墨尔本大学的物理学家雷蒙德·沃尔卡斯(Raymond Volkas)说,这种情况是合理的,他没有参与这项研究,但缺失脉冲星问题很容易通过已知的恒星效应得到平凡的解释。 “如果能有不对称暗物质的引人注目的直接天体物理学证据,那当然是令人兴奋的,”沃尔卡斯说。 “在相信不对称暗物质的解释之前,我想先确信没有标准的解释是可行的。”
 
该研究的作者,圣母大学的约瑟夫·布拉曼特(Joseph Bramante)和芝加哥大学卡弗里宇宙物理研究所的蒂姆·林登(Tim Linden)都同意,现在就匆忙得出暗物质的结论还为时过早。 例如,林登说,也许对银河系中心的射电观测不如科学家们假设的那样彻底,缺失的脉冲星会在更好的搜索中出现。 星星形成中的一些怪癖也可能限制了在银河系中心形成的脉冲星数量。
 
附近脉冲星不会受到不对称暗物质的如此大的影响的原因是,任何类型的暗物质都应该在星系核心最密集,在那里它应该在自身引力的作用下聚集。 即使在那里,暗物质也需要很长时间才能积累到足以摧毁脉冲星的程度,因为大多数暗物质粒子会直接穿过恒星而不发生相互作用。 只有在极少数情况下,当一个暗物质粒子非常接近普通粒子时,它才会发生碰撞,然后它将被困在那里。 在普通恒星中,核心的普通粒子不够密集,无法捕获许多暗物质粒子。 但在超稠密的脉冲星中,它们可能会积累到足以造成破坏的程度。 布拉曼特说:“暗物质无法像在普通恒星中心那样密集或快速地聚集,但在脉冲星中,暗物质会聚集成一个大约两米的球。 然后这个球坍缩成一个黑洞,它会吞噬脉冲星。”
 
如果这种情况是正确的,一个结果将是,脉冲星离暗物质密集的银河系中心越远,寿命应该越长。 例如,在银河系的遥远边缘,脉冲星可能会活到很老的年龄; 然而,在核心附近,脉冲星会在被创造出来后很快被摧毁,然后才能老化。 林登说:“没有什么天体物理学预测脉冲星的年龄与其距星系中心的距离之间存在非常强的关系。 “如果这种情况成立,你真的会看到惊人的效果。” 天文学家也可能观察到脉冲星坍缩成黑洞,从而验证该理论,尽管这可能不太可能。 但是一旦黑洞被创造出来,就几乎不可能探测到:由于暗物质和黑洞都是无法观测的,因此由暗物质制成的黑洞将是双重隐形的。
 

Clara Moskowitz is a senior editor at 大众科学, where she covers astronomy, space, physics and mathematics. She has been at 大众科学 for a decade; previously she worked at Space.com. Moskowitz has reported live from rocket launches, space shuttle liftoffs and landings, suborbital spaceflight training, mountaintop observatories, and more. She has a bachelor's degree in astronomy and physics from Wesleyan University and a graduate degree in science communication from the University of California, Santa Cruz.

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