北京時(shí)間 11 月 6 日消息，一項(xiàng)新研究稱，一些黑洞實(shí)際上可能是暗能量團(tuán)，這一觀點(diǎn)對(duì)主流的天體物理學(xué)理論提出了質(zhì)疑。

　　夏威夷大學(xué)馬諾阿分校的研究人員對(duì)解釋宇宙膨脹的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行了重新審視，得出了這一結(jié)論。科學(xué)家通常認(rèn)為，黑洞是太空中引力過(guò)于強(qiáng)大，以至于光線都無(wú)法逃逸的區(qū)域。黑洞的核心是所謂的奇點(diǎn)，具有近乎無(wú)窮大的質(zhì)量和引力，使其周?chē)目臻g和時(shí)間彎曲。然而，在這項(xiàng)新研究中，研究人員提出，一些看起來(lái)像黑洞的物體可能擁有暗能量的核心。

　　暗能量的作用與引力相反，物理學(xué)家用暗能量來(lái)解釋為什么宇宙的膨脹率在不斷增加。主流理論認(rèn)為，暗能量均勻地存在于宇宙中，但在 1966 年，一位俄羅斯科學(xué)家提出了一個(gè)激進(jìn)的理論，認(rèn)為暗能量會(huì)形成聚合體。

　　在近期的兩項(xiàng)新研究中，天體物理學(xué)家凱文·克羅克(Kevin Croker)和數(shù)學(xué)家喬爾·維納(Joel Weiner)提出，這樣的暗能量天體完全符合宇宙膨脹的方程。當(dāng)然，目前這些天體只存在于理論上，它們的奇特性質(zhì)(比如在宇宙膨脹時(shí)獲得質(zhì)量)可以解釋一些未解之謎。例如，如果碰撞的黑洞由暗能量構(gòu)成，那么科學(xué)家在 2016 年發(fā)現(xiàn)的合并黑洞的質(zhì)量就能更容易解釋。

宇宙不僅在膨脹，而且隨著時(shí)間的流逝，膨脹的速度越來(lái)越快

　　夏威夷大學(xué)的研究人員研究的是弗里德曼方程，這組方程基于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論(解釋了質(zhì)量和能量如何扭曲空間和時(shí)間)，從數(shù)學(xué)上描述了宇宙是如何膨脹的。此前，研究弗里德曼方程的科學(xué)家認(rèn)為，沒(méi)有必要考慮中子星和黑洞等超高密度孤立天體的內(nèi)部性質(zhì)，而是可以將物質(zhì)當(dāng)作是均勻分布的。

　　然而，克羅克和韋納教授發(fā)現(xiàn)，需要從數(shù)學(xué)上考慮這些超高密度區(qū)域，才能準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)到它們對(duì)宇宙的影響。“我們證明了只有一種方法可以正確地(構(gòu)建這些方程)，”克羅克教授在接受媒體采訪時(shí)表示，“如果你用的方法正確，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些有趣的事情。”

　　“80 年來(lái)，我們一直在一種假設(shè)下進(jìn)行研究，即宇宙大體上不受任何一個(gè)小區(qū)域的具體細(xì)節(jié)影響，”克羅克教授說(shuō)，“現(xiàn)在很清楚，廣義相對(duì)論可以將坍縮的恒星——和火奴魯魯?shù)拇笮〔畈欢?mdash;—與整個(gè)宇宙的行為聯(lián)系起來(lái)，而宇宙的體積要大上萬(wàn)億倍。”

　　這兩位科學(xué)家認(rèn)為，黑洞實(shí)際上可能是暗能量的超高密度團(tuán)塊，而非擁有一個(gè)引力變得無(wú)窮大的奇點(diǎn)，這些暗能量團(tuán)被稱為“暗能量泛型體”(Generic Objects of Dark Energy)，簡(jiǎn)稱 GEODEs。

　　暗能量是一種假想的能量形式，能對(duì)宇宙施加負(fù)壓，抵消引力的影響，從而解釋宇宙為什么在加速膨脹。在目前廣為接受的模型中，暗能量是時(shí)空的一種固有屬性，均勻地存在于整個(gè)宇宙中，而不是集中于某種暗能量泛型體。

　　俄羅斯物理學(xué)家埃拉斯特·格里納(Erast Gliner)在 1966 年首次提出了暗能量泛型體的概念，他認(rèn)為這種天體是由非常大的恒星坍縮形成的。如果暗能量泛型體存在，那它們就可以包含所有的暗能量，并解釋為什么宇宙似乎在加速膨脹。“如果我們認(rèn)為的黑洞實(shí)際上沒(méi)有奇點(diǎn)，那么宇宙的加速膨脹就自然而然是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的結(jié)果，”克羅克博士說(shuō)道。

　　根據(jù)研究人員的說(shuō)法，弗里德曼的方程表明，隨著時(shí)間的推移，暗能量泛型體會(huì)不斷獲得質(zhì)量，即使宇宙膨脹導(dǎo)致它們沒(méi)有物質(zhì)可供消耗。

　　我們也可以觀察到光有類(lèi)似但相反的現(xiàn)象。當(dāng)所經(jīng)過(guò)的空間膨脹時(shí)，光會(huì)以一種叫做紅移的效應(yīng)失去能量，而對(duì)物質(zhì)而言，則會(huì)失去質(zhì)量。雖然這種效應(yīng)很微小，幾乎可以忽略不計(jì)，但對(duì)于像暗能量泛型體這樣的超密度物體來(lái)說(shuō)，這種效應(yīng)會(huì)變得非常顯著。盡管暗能量的作用與正常能量和物質(zhì)相反，它會(huì)獲得而不是失去質(zhì)量或能量。

　　“光是一種奇怪的東西。在很多方面，它的表現(xiàn)都與直覺(jué)相反，”克羅克教授說(shuō)，“人們沒(méi)有想到這種行為也會(huì)在其他物體上表現(xiàn)出來(lái)。但是我們的研究顯示，沒(méi)錯(cuò)，你可以在另一個(gè)物體上看到它。”

　　雖然暗能量泛型體仍然處于假設(shè)階段，但它們的存在將有助于為物理學(xué)家解開(kāi)一些謎團(tuán)。例如，2016 年，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)的科學(xué)家報(bào)告稱，他們首次觀測(cè)到兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波。然而，他們發(fā)現(xiàn)黑洞的質(zhì)量很不尋常，要么比預(yù)測(cè)的高，要么比預(yù)測(cè)的低。為了解釋這一現(xiàn)象，LIGO 團(tuán)隊(duì)不得不將這兩個(gè)黑洞的起源定位在一個(gè)所謂的“低金屬豐度”空間，那里比氫和氦更重的元素含量較低，因此非常罕見(jiàn)。

　　然而，如果這兩個(gè)黑洞實(shí)際上是暗能量泛型體，那它們的奇怪質(zhì)量就可以簡(jiǎn)單地得到解釋：它們自形成以來(lái)由于宇宙膨脹而獲得了質(zhì)量。“我們的研究表明，如果確實(shí)存在暗能量泛型體，那么它們很容易導(dǎo)致目前所觀測(cè)到的現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象還缺乏令人信服的解釋，”克羅克和韋納教授說(shuō)，“我們預(yù)測(cè)了暗能量泛型體可能導(dǎo)致的許多其他觀測(cè)結(jié)果，也包括許多將其排除在外的情況。我們才剛剛邁出第一步。”

　　然而，其他一些科學(xué)家對(duì)此仍持懷疑態(tài)度。里斯本高等技術(shù)研究所的物理學(xué)家維托·卡多索(Vitor Cardoso)教授并未參與此次研究，他表示，這項(xiàng)研究“有違直覺(jué)，難以理解”。不過(guò)，他也認(rèn)為探索這種可能性是有價(jià)值的。

　　“我喜歡尋找黑洞的替代理論，這會(huì)迫使我們加強(qiáng)黑洞的范式，”卡多索教授說(shuō)，“而且，如果我們不去尋找，有時(shí)就很難有所發(fā)現(xiàn)。”

　　克羅克等研究人員將他們的發(fā)現(xiàn)結(jié)果寫(xiě)成了兩篇論文，一篇發(fā)表在近期的《天體物理學(xué)雜志》(The Astrophysical Journal )，另一篇?jiǎng)t發(fā)表在預(yù)印本網(wǎng)站 arXiv 上，尚未經(jīng)過(guò)同行評(píng)審。

　　什么是暗能量?

　　物理學(xué)家用暗能量來(lái)描述一種神秘的“東西”，它會(huì)導(dǎo)致宇宙中發(fā)生不尋常的現(xiàn)象。宇宙中充滿了物質(zhì)，而萬(wàn)有引力將所有物質(zhì)拉在一起。到了 1998 年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)非常遙遠(yuǎn)的超新星的觀測(cè)表明，很久以前，宇宙的膨脹速度實(shí)際上比今天慢得多。

　　因此，宇宙的膨脹并沒(méi)有像大家所想的那樣，由于引力作用而越來(lái)越慢(畢竟大爆炸已經(jīng)過(guò)去了近 140 億年)，相反，宇宙隨時(shí)間推移在不斷加速膨脹。沒(méi)有人預(yù)料到這一點(diǎn)，也沒(méi)有人知道如何解釋。但科學(xué)家認(rèn)為，一定是什么東西引起這種現(xiàn)象。

　　在主流理論中，暗能量是某種作用于時(shí)空結(jié)構(gòu)本身的能量，并且是均勻的負(fù)壓力，會(huì)導(dǎo)致時(shí)空結(jié)構(gòu)膨脹。暗能量充溢著宇宙空間，能很好地解釋目前對(duì)宇宙加速膨脹的觀測(cè)結(jié)果。在宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型中，暗能量大約占據(jù)宇宙 68.3% 的質(zhì)能。
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