天文学家揭示了暗能量,最小的黑洞

多年来,天文学家们一直认为由于引力的作用,宇宙的膨胀速度正在减慢,但在1998年,两组研究人员证实了一种看不见的“暗能量”的存在,这种能量似乎正在加速宇宙的膨胀。

这一发现将天文学界的注意力从熟悉的物质形式转向了乍一看似乎什么都不是的东西。

“目前,暗能量的性质是物理学中最大的问题之一,”匹兹堡大学物理与天文系教授杰弗里·纽曼(Jeffrey Newman)说。“有些东西就像反重力,我们不知道是什么。暗能量其实只是我们无知的代名词。”

据估计,暗能量占宇宙的68%,而暗物质,这种看不见的物质占宇宙的27%,被认为提供了引力,使星系在膨胀期间不被拉扯。

纽曼和他在匹兹堡大学的团队已经着手解决暗能量的问题,他们是与暗能量光谱仪器(DESI)合作的全球团队的一部分。位于亚利桑那州基特峰国家实验室的Mayall望远镜上安装了一台天空扫描仪器DESI,它正在利用光线来绘制星系离地球的距离,从而绘制出星系位置的三维地图。这些测量数据可以用来计算自大爆炸以来宇宙膨胀了多少。

通过绘制星系图,该地图还将记录下含有大量暗物质的区域。

“我们所知道的是,哪里有大量的暗物质,哪里就有星系,”纽曼说。

“我们将把那些最明亮、最好的星系,用仪器对准它们,研究它们的光的全部分解,这使我们能够精确地确定它们与地球的距离。通过这些距离,知道他们是在天空中,我们可以建立一个三维地图的星系,这也给了我们一个三维的地图,暗物质是宇宙中,跨越了三分之一的天空超过四分之一的所有可见从地球的宇宙的体积。”

纽曼在加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)担任博士后研究员时,开发出了寻找合适星系的技术。这项工作的重点是利用二维的天空图像来识别星系,这些星系是构建宇宙物质所在位置三维地图的最佳候选。

Data received from DESI“用三架不同的望远镜拍摄了500个夜晚,”Newman说。“我们得到图像,然后在国家能源研究超级计算中心进行处理,这花了几年的时间来完成所有的处理。这给了我们对每一个物体——每一颗恒星和每一个星系——的属性的测量,精确到相当模糊的范围。我们利用这些特性,并根据我们从其他项目中对星系的了解,推断出哪些星系将是DESI最有希望的目标。”

DESI在10月22日拍摄了它的第一张照片,研究人员将在明年年初继续测试它,在它的五年任务扩展到绘制整个宇宙的地图之前。

“经过10年的规划、研发、安装和组装,我们很高兴DESI很快就能开始探索揭开暗能量的奥秘,”DESI主任、能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)主任迈克尔·利瓦伊(Michael Levi)说。

在2020年2月,纽曼和他的研究生Biprateep Dey将前往亚利桑那州进行观测,帮助引导DESI观测更多的星系。纽曼说,这一过程将需要精确校准仪器的5000个光纤传感器。

他说:“如果你把光纤放在错误的地方,就没有星系,也得不到任何光线。”

DESI寻求的答案可能会颠覆数千个活跃的理论,包括爱因斯坦的引力理论,或者为天体物理学家引入一个全新的研究领域。任何一种结果都会产生自证实黑暗势力以来该领域最重要的发现。

“只是回答我们的重力理论是否有问题,或者它是宇宙的一个新组成部分,这个问题本身就会非常令人兴奋。现在,我们有一个广阔的可能性领域,扔掉其中的一半将是一个很大的进步,”纽曼说。

研究人员帮助寻找已知的最小黑洞

皮特大学的另一位天文学家进行的一项恒星调查发现了宇宙中已知的最小黑洞。

物理学和天文学系的副教授Carles Badenes是发现受黑洞引力影响的恒星的小组成员之一。他们在寻找双星系统时发现了这颗恒星,双星系统是两个或更多的恒星围绕一个共同的中心旋转。

这一发现发表在11月1日的《科学》杂志上。

Carles Badenes是在匹兹堡大学进行的一项双星统计研究的领头人,该研究使用的是阿帕奇点天文台的星系演化实验(APOGEE),它是新墨西哥州阿帕奇点天文台斯隆数字巡天计划的一部分。他与俄亥俄州立大学的一组研究人员合作,寻找有大量看不见的伴星的恒星。他们一起发现了恒星2质量的J05215658+4359220,这表明它附属于一个看不见的,但质量巨大的来源。

研究小组观察了来自恒星的光谱在不同时间的变化。他们利用这些位移和牛顿方程的信息来推断未知物体的质量——至少是地球太阳质量的三倍。

他们的结论是,该物体是一个低质量黑洞,“基本上是一个消除过程,”贝登斯解释说。

“它不可能是一颗普通的恒星,因为它不发出任何光。它不可能是一颗白矮星(恒星),因为它们只存在于较小的质量中。它可能是一颗中子星,但以三个太阳的质量,它将是已知最重的中子星。”

这一发现为发现和研究黑洞打开了一扇门,而黑洞仍然隐藏在宇宙的阴影中,在它们消耗物质并成为发光体之前。

“我们通常研究黑洞的方法是观察它们进食的样子。如果你用那种方法,你就有偏见。黑洞越大,它吸收物质时就越亮。因为较亮的黑洞更容易被发现,这意味着大多数已知的吸积黑洞都相当巨大。这也意味着我们不知道黑洞的平均质量是多少。

“有了我们的新方法,我们所需要做的就是测量恒星光谱的移动。这使我们能够直接测量黑洞的质量,而不是测量落入黑洞的物质的亮度。因为这是一种更直接的测量方法,它让我们更好地了解黑洞的平均质量是多少。”

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