宇宙中的物質,原來大部分都不是我們日常所見的物料,而是所謂的「黑暗物質」。這些「黑暗物質」究竟是什麼?它們會否是「原初黑洞」?今天就和大家探討一下。
黑洞是暗物質嗎?
先簡單介紹一下「暗物質」(dark matter)。我們身處的銀河系中有無數星體,都在圍繞中心旋轉,想像我們身處一個很快的「氹氹轉」之中,為了不因為太高的速度而飛離這個「氹氹轉」,必需有足夠的力量把我們拉向中心。銀河系、宇宙的場景中沒有實質的拉環拉住星體,只能夠依賴物質之間的萬有引力。如此一來問題就出現了:我們可觀測到的物質,似乎並不足以維持整個銀河系以如此高的速度自轉。
不過,銀河系的旋轉是不可否認的事實,科學家就唯有推斷,銀河系、宇宙中還有許多不會發光、我們看不見的「暗物質」發揮着拉環的作用。
我們也許聽說過,天文學中的另一種與黑暗有關的物體:黑洞。黑洞是質量大的星體的最後階段,當它們內部的氫氣用完,便無法繼續進行核聚變以產生能量來支撐星體的重量,因而就會向中心崩塌,成為黑洞。黑洞之所以「黑」,是因為它的密度極高,相關的萬有引力場極大,以致光線也無法「逃脫」。黑洞因此顯得黑喑,難以直接觀察。
那麼,黑洞會否是暗物質的主要成分?答案基本是否定的,除了一個例外:科學家一直在密切研究較輕的元素(例如氦、鋰)如何在宇宙的初期形成,又監察來自大爆炸的輻射如何在宇宙中擴散。這些過程都受暗物質影響,最終幫助科學家反推出宇宙中暗物質的密度,發現其是我們日常所見物料密度的5倍!這也代表由正常物質組成的黑洞,不太可能是暗物質。不過,這當中有一個盲點,有一些黑洞被稱為「原初黑洞(primordial black hole)」,它們在宇宙初期、各種元素還未組成的時候就已存在,因此不受剛剛提到的規範所限,有可能是暗物質的「真正面目」。
這個猜想可以通過測試驗證嗎?根據愛因斯坦的廣義相對論,光線會受萬有引力影響而以彎曲的路徑行進,因此當一個原初黑洞在我們和星體之間經過,這個黑洞就好像一片放大鏡,把原來不會被我們看到的星光也聚焦到我們的視野之中,因而在感覺上,這顆星體好像突然變亮了。
光學重力透鏡實驗(Optical Gravitational Lensing Experiment,簡稱OGLE),就是這樣的一個實驗。實驗團隊在過去20年觀察了大麥哲倫星系(Large Magellanic Cloud)中數千萬顆星星,共記錄到13次星體突然變亮的現象。
根據這些數據,可以進一步推算出原初黑洞在宇宙中的數量,假設個別原初黑洞的質量各有不同(可能小至太陽質量的萬分之一,大至太陽質量的八百多倍),縱然把如此廣闊質量範圍的原初黑洞加起來,它們也只可能是所有暗物質的十分之一。
小結
我們原本猜測,原初黑洞很可能就是暗物質的真正面目,現在看來卻是不太可能了。不過,科學家還沒有完全排除這個可能性:極重或較輕的原初黑洞,仍有可能是暗物質的主要成分。在揭開暗物質神秘面紗這個課題上,我們還有很長的路要走。
●杜子航 教育工作者
早年學習理工科目,一直致力推動科學教育與科普工作,近年開始關注電腦發展對社會的影響。
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