天文学家提出一个理论不仅解释了暗物质的存在 而且还解释了宇宙中最大黑洞的出现
天文学家提出一个理论不仅解释了暗物质的存在 而且还解释了宇宙中最大黑洞的出现
（神秘的地球uux.cn报道）据cnBeta：在20世纪70年代，霍金提出，暗物质，即构成宇宙中大多数物质的无形物质，可能是由大爆炸最早时刻形成的黑洞构成。现在，三位天文学家提出了一个理论，不仅解释了暗物质的存在，而且还解释了宇宙中最大黑洞的出现。
这份研究报告的共同作者、耶鲁大学的天体物理学家普里亚姆瓦达-纳塔拉詹（Priyamvada Natarajan）在一份声明中说："我个人认为这个想法超级令人兴奋的是，它优雅地将我所从事的两个真正具有挑战性的问题，即探测暗物质的性质和黑洞形成与增长统一起来，并一举解决了它们。更重要的是，一些新的仪器，包括刚刚发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜，可以产生最终评估霍金这个著名概念所需的数据。
暗物质占宇宙中所有物质的80%以上，但它不会以任何方式与光直接互动。 它只是漂浮在巨大的周围，影响星系内的重力。它很容易让人想到黑洞可能是生产这种难以捉摸东西的原因。毕竟，黑洞是出了名的黑暗，所以用黑洞填满一个星系，在理论上可以解释所有对暗物质的观察。不幸的是，在现代宇宙中，黑洞只有在大质量恒星死亡后才会形成，然后在其自身引力的作用下坍塌。所以制造黑洞需要许多恒星，这需要一堆正常物质。科学家们通过对早期宇宙的计算，知道宇宙中有多少正常物质，在那里形成了第一批氢和氦。而且，根本没有足够的正常物质来制造天文学家观察到的所有暗物质。
霍金在1971年提出，黑洞是在大爆炸最初的混乱环境中形成的。在那里，小块的物质可以自发地达到制造黑洞所需的密度，在第一颗恒星闪烁之前就已经充斥着宇宙。霍金提出，这些"原始"黑洞可能是暗物质的来源。虽然这个想法很有趣，但大多数天体物理学家却专注于寻找一种新的亚原子粒子来解释暗物质。更重要的是，原始黑洞形成的模型遇到了观测上的问题。如果在早期宇宙中形成了太多的黑洞，它们就会改变早期宇宙剩余辐射的图景，也就是所谓的宇宙微波背景（CMB）。这意味着该理论只有在古代黑洞的数量和大小相当有限的情况下才有效，否则它将与CMB的测量结果相冲突。.
2015年，当激光干涉仪引力波天文台发现第一对碰撞的黑洞时，这个想法又被重新提起。这两个黑洞比预期的要大得多，解释其大质量的一种方法是说它们形成于早期宇宙，而不是在垂死的恒星的心中。在最新的研究中，Natarajan、迈阿密大学的Nico Cappelluti和欧洲航天局的Günther Hasinger深入研究了原始黑洞的理论，探索它们如何解释暗物质并可能解决其他宇宙学挑战。为了通过目前的观测测试，原始黑洞必须在一定的质量范围内。在新的工作中，研究人员假设原始黑洞的质量大约是太阳质量的1.4倍。他们构建了一个宇宙模型，用这些相当轻的黑洞取代所有的暗物质，然后他们寻找可以验证（或排除）该模型的观测线索。
研究小组发现，原始黑洞可能在宇宙中发挥了重要作用，它为第一批恒星、第一批星系和第一批超大质量黑洞（SMBHs）提供了种子。观测结果表明，恒星、星系和SMBHs在宇宙学历史中出现得非常快，也许快得无法用我们在当今宇宙中观察到的形成和增长过程来解释。如果原始黑洞真的存在，它们很可能是所有超大质量黑洞形成的种子，包括位于银河系中心的那个。
而且这个理论很简单，不需要用新粒子的动物园来解释暗物质。这项研究表明，在不引入新粒子或新物理学的情况下，就可以解决现代宇宙学中从暗物质本身的性质到超大质量黑洞的起源等谜团。到目前为止，这个想法只是一个模型，但它是一个可以相对较快地被测试的模型。詹姆斯-韦伯太空望远镜在推迟多年后于圣诞节发射，专门用来回答有关恒星和星系起源的问题。下一代引力波探测器，特别是激光干涉仪空间天线（LISA），准备揭示更多关于黑洞的信息，包括原始黑洞。 这两个太空天文台加在一起，应该给天文学家提供足够的信息来拼凑第一批恒星的故事，并可能发现暗物质的起源。
相关报道：霍金关于大爆炸的最终理论对多元宇宙规模提出了制约
（神秘的地球uux.cn报道）据cnBeta：霍金教授与鲁汶大学的托马斯·赫托格教授合作研究的关于宇宙起源的最后理论于2018年发表在《Journal of High Energy Physics》上。该理论是在霍金于2018年早些时候去世前提交发表的，它以弦理论为基础，预测宇宙是有限的，且远比目前许多关于大爆炸的理论说得简单。
赫托格教授的工作得到了欧洲研究理事会的支持，他在2017年7月霍金教授75岁生日之际在剑桥大学举办的一次会议上首次宣布了这一新理论。
现代大爆炸理论预测，我们本地的宇宙是随着一阵短暂的膨胀而出现的--换句话说，在大爆炸本身之后的一小部分时间里，宇宙以指数的速度膨胀。然而人们普遍认为，一旦膨胀开始，有些地区的通胀就不会停止。人们认为，在宇宙的某些区域，量子效应可以使膨胀永远持续下去，因此从整体上看，膨胀是永恒的。这样，我们宇宙的可观测部分就只是一位好客的袖珍宇宙，一个膨胀已经结束、恒星和星系形成的区域。
“通常的永恒膨胀理论预测，在全球范围内，我们的宇宙就像一个无限的分形，它有着不同的袖珍宇宙的马赛克，被一个膨胀的海洋分开，”霍金在2017年的一次采访中说道，“当地的物理和化学定律可以从一个袖珍宇宙到另一个袖珍宇宙而有所不同，这将共同形成一个多元宇宙。但我从来都是多元宇宙的粉丝。如果多元宇宙中不同宇宙的规模很大或无限大，那么理论就无法得到检验。”
霍金和赫托格在他们的论文中指出，这种将永恒膨胀作为大爆炸理论的说法是错误的。赫托格表示：“关于永恒膨胀的通常说法的问题是，它假设了一个现有的背景宇宙，该宇宙根据爱因斯坦的广义相对论演化并将量子效应视为围绕此的小波动。然而，永恒膨胀的动力学抹去了经典和量子物理学之间的分离。因此，爱因斯坦的理论在永恒膨胀中崩溃。”
“我们预测，我们的宇宙在最大的尺度上是合理平滑和全球有限的。所以它不是一个分形结构，”霍金说道。
霍金和赫托格提出的永恒膨胀理论是基于弦理论得出。他们所使用的方法采用了弦理论中的全息概念，该概念假设宇宙是一个巨大而复杂的全息图：某些三维空间的物理现实可以在数学上简化为表面上的二维投影。
霍金和赫托格发展了这个全息论概念的一个变种，即在永恒膨胀中投射出时间维度。这使他们得以描述永恒膨胀而不必依赖爱因斯坦的理论。在新理论中，永恒膨胀被简化为一个在时间开始时定义在空间表面的永恒状态。
赫托格表示：“当我们向后追踪我们的宇宙的演变时，在某一点上我们到达了永恒膨胀的门槛，在那里我们熟悉的时间概念不再有任何意义。”
霍金早期的“无边界理论”预测，如果你回到宇宙的起点，宇宙会像球体一样缩小和关闭，但这个新理论代表了离早期工作的一步。“现在我们说，在我们的过去有一个边界，”赫托格说道。
赫托格和霍金利用他们的新理论得出了关于宇宙全球结构的更可靠的预测。他们预测，在过去的边界上，从永恒膨胀中出现的宇宙是有限的，这远比永恒膨胀的旧理论所预测的无限分形结构简单。
他们的结果如果被进一步的工作证实，则将对多元宇宙范式产生深远的影响。霍金指出：“我们并没有沦落到一个单一的、独特的宇宙，但我们的发现意味着多元宇宙的大幅缩减，进而变成了一个小得多的可能宇宙的范围。”这使得该理论更具预测性和可测试性。
赫托格现在计划在我们的太空望远镜可以触及的较小尺度上研究新理论的影响。他认为，原始的引力波--时空的涟漪--在永恒膨胀的出口处产生，从而构成了测试该模型的最有希望的“烟雾弹”。我们的宇宙自始至终都在膨胀，这意味着这种引力波会有很长的波长，在目前LIGO探测器的范围之外。但它们可能会被计划中的欧洲天基引力波观测站LISA听到或在未来测量宇宙微波背景的实验中看到。
