暗物质候选者锁定！原初黑洞或借第一代恒星改写宇宙史

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原作：Andy Tomaswick

翻译：马艺朔

校对：钟艺

编排：王璞

后台：朱宸宇

原文链接：https://www.universetoday.com/articles/primordial-black-holes-could-have-accelerated-early-star-formation

哈勃太空望远镜拍摄的遥远星系团内弥散星光图像。图源：美国宇航局（NASA）、欧洲空间局（ESA）以及M. Montes（新南威尔士大学）。

探寻暗物质的本质，需要我们倾尽所有最顶尖的模型、理论和奇思妙想。加州大学圣克鲁兹分校（UCSC）的Julia Monika Koulen, Stefano Profumo和Nolan Smyth发表的一篇新论文，就深入探讨了一种颇受关注的暗物质的可能候选者——原初黑洞的大小与丰度。

在早期宇宙的研究中，第一代恒星的形成是一个里程碑式的事件，无论在象征意义还是字面意义上，它都照亮了此后的时光。天体物理学家称这些最早的恒星为 “第三星族恒星”。这个命名方式体现了天文学特有的古怪但奇妙之处——它们之所以叫“第三星族”，是因为它们是第三种被发现的恒星类型。年轻的、“富金属”恒星（如我们的太阳）构成 “第一星族”，年长的、“贫金属”恒星构成 “第二星族”。而第三星族恒星则应该是完全不含“金属”的（此处“金属”指除氢以外的所有元素），因为能产生这些元素的核聚变过程那时尚未发生。

由于我们从未直接观测到第三星族恒星，对它们的了解少之又少。但我们仍可以通过模拟这些恒星及其所处的环境，来增进对它们以及诞生它们的宇宙的理解。这正是UCSC研究团队这篇论文所尝试的工作。科学家们认为，这些恒星形成于一种称为 “迷你暗物质晕” 的空间区域中，这些晕主要由暗物质构成。因此，科学家们一直在探索这些迷你晕究竟是由什么组成的。

原初黑洞宇宙演化史概念图示。图源：欧洲航天局ESA

原初黑洞（PBHs）是主要的候选者之一，它们可能构成了这些暗物质晕，或者至少与之发生过相互作用。理解这些奇特的天体对最早恒星形成的影响，或许能为我们提供线索，判断它们是否能作为那更大范围存在的“暗物质”的有力候选者，而这暗物质至今仍然在影响宇宙的引力演化。

然而，模拟它们比想象中困难得多。UCSC的研究人员使用了一个名为 GIZMO 的软件包，来模拟早期宇宙的两个主要组成部分——流体动力学和 N体引力场景。流体动力学尝试捕捉尘埃和气体如何影响最早恒星形成的过程，而N体引力部分则试图求解众多大质量天体在彼此靠近高速运动时产生的引力影响。

模拟从宇宙极早期开始，采用了科学家们作为大爆炸宇宙学标准模型的λ-冷暗物质模型。此外，还添加了一个名为 GRACKLE 的库来处理气体冷却动力学——这对恒星的形成同样有着重大影响。

经过大量的模拟运算，研究人员发现原初黑洞可能扮演两种截然不同的角色。它们要么充当 “种子”，导致恒星的形成远早于其他预测；要么充当 “抑制者”，使得恒星形成所需的时间远比最初预测的要长。

小型原初黑洞艺术构想图。现实中，此类微型黑洞难以形成能产生可见辐射的吸积盘。 图源：美国宇航局戈达德太空飞行中心。

如果早期宇宙中的原初黑洞有着极大质量（即质量是太阳的100倍或以上），那么它们会持续地、更快地为早期宇宙播下恒星的种子。其作用机制是增强密度的涨落强度，进而产生更多可供恒星形成的暗物质迷你晕。值得注意的是，如果早期宇宙中存在大量的大质量原初黑洞，第一代恒星的出现时间可能比现有模型预测的要早得多——这个精妙的预测本身可被证伪——只要获得足够多的第三族恒星观测数据就能验证。

质量较小的原初黑洞（质量约为太阳的10倍）在早期宇宙中的作用则更为复杂。如果它们的数量不多，这些黑洞实际上会抑制 恒星的形成。它们通过 “潮汐加热” 来实现这一点，即升高那些通常会冷却并坍缩形成第一代恒星的气体温度。

另一方面，如果早期宇宙中充斥着大量的小质量原初黑洞，它们反而会加速恒星形成。这靠的是它们累积的引力作用，即所谓的 “泊松效应”。实际上，它们的作用方式与大质量原初黑洞类似，都是作为气体和尘埃聚集的重心。

这些模拟研究最棒的地方在于，它们为我们将来获取关于最早恒星的数据提供了不同的解读思路。如果恒星形成得很早，那可能是超大质量原初黑洞的功劳，也可能是大量小质量黑洞共同作用的结果。然而，如果研究发现第一代恒星形成得较晚，这就为“早期宇宙存在相对较小质量的原初黑洞”与暗物质搜寻产生的潜在影响提供了有力论据。

归根结底，在收集到更多数据之前，我们无法下定论。詹姆斯·韦布空间望远镜目前是我们达成目标的最大希望，但它需要获得足够的观测时间，才能专注于这项数据收集工作。其他天文台，如平方公里阵列（SKA），则可能彻底变革 21厘米谱线宇宙学，这对于回溯到足够久远的宇宙，亲眼见证第一代恒星正式“点亮”的时刻至关重要。当我们最终获得这些数据时，这篇论文以及众多其他研究中的预测，都将迎来最终的检验。

责任编辑：DAIKIN

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