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用一个未解之谜能否解决另一个谜团?

暗物质,我们已经讨论过很多次了。虽然大家都很熟悉这个术语,但是它究竟是什么,没有人知道。或许是MACHOs,又或许是某种未被探测到的新粒子。(注:MACHOs是一类大质量致密晕天体,例如白矮星、中子星和黑洞等极其暗淡的天体。)


快速射电暴(FRB),知道的人就比较少了。因为天文学家在2001年才首次接收到FRB的信号,到目前为止总共仅发现了20个FRB事件。快速射电暴是一种未知的神秘的、短促而明亮的射电脉冲。对于FRB的解释众说纷纭,有人认为它是来自外星人的信号,也有人认为它可能是中子星或黑洞发出的信号。



查看:《快速射电暴》


暗物质和快速射电暴都是未解之谜,它们之间看似毫无关系,但来自约翰霍普金斯大学的天文学家发表在《物理评论快报》的一篇论文中提出了一个新方法,直接用一个谜团来解释另一个谜团。他们认为这种神秘的快速射电暴可以告诉我们暗物质是否是由一种特殊的古老的黑洞组成的。



查看:《引力波天文学:一个新时代的开始》


当LIGO宣布它们探测到合并黑洞产生的引力波后,很快就有科学家认为LIGO的发现其实揭示了暗物质可能是由“原初黑洞”组成的。不像一般黑洞是由爆炸的恒星产生的,原初黑洞是在宇宙早期时由巨大的气体团坍缩形成的。


科学家之前相信宇宙早期遍布着大量的原初黑洞,但是由于一直缺乏证据,因此科学家对它一直没有很大的热忱。直到LIGO对引力波的直接探测使原初黑洞的想法死灰复燃,如果这些黑洞在宇宙诞生后大量的产生,那么它们就很有可能是我们要寻找的暗物质。



查看反对意见:《为什么原初黑洞不可能是暗物质》


天文学家计算了这些原初黑洞会形成一对双黑洞,并相互回旋、逐渐靠近合并成一个黑洞的概率有多少。考虑了原初黑洞双星轨道的大小和形状,它们得出的对撞率和LIGO的发现相互吻合。LIGO首次探测到的黑洞质量范围在29到36个太阳质量间。现在,假设暗物质是由30个太阳质量的原初黑洞组成的,那么我们要如何验证这个假设?这是这篇论文的主要目的。


快速射电暴的信号非常短暂,但其强度却非常的高。他们的来源还未知,但相信是来自银河系外的其它星系。如果对它们的来源猜测正确,那么这些无线电波在到达地球前要经历非常长的一段距离,而在这途中,这些波很有可能会经过黑洞。根据爱因斯坦的广义相对论,当这些波经过黑洞是会产生偏折,即引力透镜现象。如果这些波靠的足够近,它会被分成两束,因此我们就看到了同一个来源的两个像。


快速射电暴经过一个黑洞时会被分成两束,它们到达地球的时间会相差几毫秒。(? Julian Munoz)


新的研究指出,如果黑洞是太阳质量的30倍,两个像到达地球的时间会相差几毫秒。如果大约30太阳质量的原初黑洞是暗物质,那么我们就有一定的几率观测到快速射电暴以上述方式经过原初黑洞时产生引力透镜现象,这样我们就能探测到FRB两个像到达的时间延迟(称为FRB的回声)。


FRB的回声是对暗物质的直接探测。虽然引力波或许“暗示”着暗物质是由黑洞构成的,但是也有其它的方法可以产生大质量的黑洞,因此这个结论并没有说服力。但是,快速射电暴的引力透镜现象却有着独一无二的特征,没有其它的现象可以重复。


虽然探测到FRB的回声的概率很低,但是,如果是黑洞构成了暗物质的话,预计在接下来的几年时间内会探测到几千起FRB的回声事件。目前为止,只有20个FRB的事件被探测到,那是因为虽然仪器非常灵敏,但是只能观测一小片天空,这使找到射线暴的概率受限制。预计在今年开始运作的CHIME新望远镜对探测FRB有巨大的潜力。预计在五年后可以获得大量的数据来验证该想法。


参考资料:

【1】Julian B. Mu?oz, Ely D. Kovetz, Liang Dai, and Marc Kamionkowski. Lensing of Fast Radio Bursts as a Probe of Compact Dark Matter.Phys. Rev. Lett., 2016 DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.091301


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