“旅行者1号”再立新功

太空中的“旅行者1号”:JPL加州理工学院/美国航天局

■程，本报见习记者

自1978年美国天文学家薇拉·鲁宾首次通过旋转曲线提供暗物质的证据以来，天文观测在过去40年中积累了大量暗物质存在的证据。然而，暗物质的性质仍然不清楚。然而，黑洞作为暗物质的替代物，尽管可能只占很小的比例，但并没有被完全排除。

最近，已经在太空漫游了41年的“旅行者1号”无意中动摇了暗物质理论的一个大胆猜想，它成为一个小黑洞的可能性大大降低了。

“我从未想过我们能以任何方式对暗物质的研究做出贡献，”艾伦·卡明斯说，他是加州理工学院的空间科学家，自1973年以来就一直参与“旅行者1号”项目。“有这样的发现真是太好了。”

推断黑洞的质量范围

几十年来，天体物理学家一直认为一些不可见的物质提供了额外的重力来维持星系的稳定。在发现暗物质的早期，黑洞被认为是一个非常可能的候选者，吸引了许多天文学家的兴趣。然而，现在看来，黑洞是完全暗物质的说法可以完全排除。然而，声称暗物质的很小一部分由黑洞组成仍然是可行的。

黑洞通常被认为是一个致密的天体，它是通过停止核燃烧并在自身重量的作用下在一颗大质量恒星内部坍缩而形成的。它被认为体积无限小，但重力极其强大。

但是用黑洞来解释暗物质并不容易。在宇宙中，暗物质的重量是普通物质的六倍，所以不可能通过坍缩恒星来产生如此不平衡的比率。

唯一的可能性是原始黑洞。这种黑洞的形成方式不同于上面恒星坍缩形成的黑洞。在第一代星系和恒星形成之前，早期宇宙中物质的微小波动和坍缩可能形成所谓的初级黑洞。这些原始黑洞几乎可以有任何质量，但是如果它们不与天文观测相冲突，它们的数量不会太大。例如，一组质量比太阳大得多的黑洞会像炮弹穿过枝形吊灯一样击碎星系，而一组小黑洞会通过所谓的引力透镜扭曲遥远恒星和星系的图像。

"这样的观察只为原始黑洞留下了三个可能的质量范围."英国伦敦玛丽皇后大学的宇宙学家伯纳德·卡尔认为，它们的质量可能是太阳的1到10倍，或者大约是太阳的10亿分之一，或者不到太阳的1万亿分之一。最小的黑洞只有原子核大小。

然而，法国索邦大学的理论家马修·布道和马尔科·西雷利在即将出版的《物理评论快报》上发表的一篇论文中指出，如果它们真的存在，“旅行者1号”应该能够探测到那些超小型黑洞的特征辐射。黑洞之所以被命名，是因为任何物质，包括光，在接近它之后都无法逃脱。但是在1973年，已故的霍金推断，即使如此，黑洞仍然可以发射一些光和粒子。

排除了小黑洞可能性

根据量子力学，真空中有粒子-反粒子对，它们在太空中来回穿梭。霍金意识到，如果一对粒子以适当的距离出现在黑洞附近，其中一个粒子可能会落入黑洞，而另一个粒子可能会以霍金辐射的形式飞走。黑洞越小，温度越高，辐射越大。

“如果有大量质量非常小的黑洞，因为霍金的蒸发温度会非常高，从而释放出大量正负电子对，那么它们应该能够在星际空间中被观察到。”中国科学院国家天文台的研究员勾立军告诉《中国科学》，但是观察结果没有证实这一点。

事实上，自从“旅行者1号”在2012年离开太阳系之前，它已经探测到一些微弱和连续的正负电子对流，与“旅行者1号”在离开太阳系之后探测到的那些流相似，并且没有多大变化。Boudaud等人的计算结果表明，即使它们都来自微小的黑洞，也不会有足够多的黑洞来解释银河系中超过1%的暗物质，银河系中的超新星遗迹也足以产生观测到的流动。

卡尔认为，这项新研究几乎排除了低质量原始黑洞是暗物质的可能性。他总是倾向于认为黑洞的质量相当于几个太阳的质量。“这种低质量的‘窗户’从来都不是我的最爱。如果目前的限制排除了这种可能性，我个人不会感到困扰。”

无尽的探索之旅。

然而，“旅行者1号”无法搜寻质量更大的原始黑洞。质量较大的黑洞的霍金温度不足以辐射出大质量粒子，如电子和正电子。相反，它们只发出非常微弱的光，非常难以察觉。因此，黑洞作为暗物质的概念仍然存在。

郭立军表示，中国的深空探测器飞行实验进展缓慢。目前，中国飞行时间最长的卫星嫦娥二号在完成绕月飞行任务后，正在向深空进发。然而，像“旅行者1号”一样飞出太阳系仍然很困难。“对技术的需求很高，对资金的需求也很高。在土星附近发射探测器将花费数十亿美元。”他说。

然而，中国在探索暗物质方面取得了巨大的进步。2015年底，中国科学院空间科学战略试点科学项目第一批项目研制的“悟空”暗物质粒子探测卫星成功发射，在空间执行高能电子和高能伽马射线探测任务，寻找暗物质踪迹。2017年，科学家利用“悟空”收集的数据获得了世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。

"虽然到目前为止还没有探测到暗物质粒子，但是科学家们将使用各种方法来尝试。"郭立军认为，科学家进行研究的动机之一是好奇心，而揭开宇宙构成的奥秘是一个无止境的探索之旅。

《中国科学日报》(2019-018第三版国际版)