原初黑洞可能幫助重元素形成

■理論物理學家發現可能形成原初黑洞的機制,而這些原初黑洞可能可以解釋宇宙中重物質的含量以及中子星數目。

撰文|林善長

加州大學洛杉磯分校(UCLA)二位物理學家(Eric Cotner and Alexander Kusenko)利用超對稱理論計算,發現可能在大霹靂(Big Bang)後不久產生原初黑洞(primordial black hole)。這些黑洞與一般恆星經由重力塌縮而形成的黑洞不同。

物理學家考慮一個能量場。在宇宙剛誕生不久、快速膨脹時,這個能量場會被分成許多小塊,其中能量密度較周圍高的區域經由重力作用,吸引其他同樣能量密度較周圍高的區域,進而合併,一部份區域的能量密度足以形成原初黑洞。經過計算,這些黑洞可以解釋目前宇宙學標準模型(ΛCDM model)的暗物質,也有可能是超大質量黑洞(supermassive black holes)形成的種子。超大質量黑洞大約介於 到 太陽質量,而我們居住的銀河系中的超大質量黑洞大約等於 太陽質量。

此外他們也提出如何測量這些原初黑洞,其中一種方法是觀測恆星的亮度變化。根據廣義相對論,原初黑洞的重力效應會影響到恆星光的路徑,進而影響在地球上觀測的光度變化。

另一個相關的研究,由 Kusenko, Volodymyr Takhistov, 和 George Fuller 提出,他們認為宇宙中許多較重的元素(例如:金、銀、鉑、鈾)可以由原初黑洞與中子星形成,而這些重元素如何形成至今仍沒有定論,觀測顯示宇宙中的確有這些重元素,但是目前的理論計算無法得到相符的量。

黑洞進入中子星內部。
Credit: Alexander Kusenko/UCLA

對此未來他們會和普林斯頓大學的物理學家合作,用電腦模擬與觀測比較,研究這個機制是否真如理論估計的一樣能解釋重元素形成以及中子星的數量比預期少的問題。科學家提出一個機制:黑洞與中子星碰撞,黑洞進入中子星的內部(如圖),黑洞吸收中子星需要大約一萬年的時間,當中子星半徑縮小時轉速會增加,一部分的中子(大約0.1~0.5倍太陽質量)會被甩出中子星,這些中子有機會融合成更重的物質。此機制能藉由觀測確認,經過嚴謹的計算,他們認為這個機制也能解釋為什麼現在觀測的中子星數量比預期的少。這些中子會產生快速電波爆發(fast radio bursts)等等的電磁瞬變(electromagnetic transients)現象,但是不會產生重力波,因此與其他產生快速電波爆發的事件不同。另外,這些物質經過貝他衰變(beta decay)後會釋放正電子(positron),此與觀測星系中心發現的511-keV譜線吻合。

未來他們會和普林斯頓大學的物理學家合作,用電腦模擬與觀測比較,研究這個機制是否真如理論估計的一樣能解釋重元素形成以及中子星的數量比預期少的問題。

 

參考資料 :

  1. Physicists propose new theories of black holes from the very early universe
  2. Viewpoint: Neutron-Star Implosions as Heavy-Element Sources
  3. Primordial black holes may have helped to forge heavy elements
  4. Primordial Black Holes and r -Process Nucleosynthesis
  5. Primordial Black Holes from Supersymmetry in the Early Universe

 

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