艺术家对从地球观测到的大麦哲伦星云的黑洞引起的微透镜事件的印象
引力波探测器LIGO和Virgo探测到了一群巨大的黑洞，它们的起源是现代天文学中最大的谜团之一。根据一种假设，这些天体可能形成于非常早期的宇宙，可能包括暗物质，一种充满宇宙的神秘物质。
来自华沙大学天文台OGLE(光学引力透镜实验)调查的一组科学家宣布了近20年的观测结果，表明这种巨大的黑洞可能最多只包含暗物质的百分之几。因此，引力波的来源需要另一种解释。研究结果发表在《自然》杂志和《天体物理学杂志增刊》系列的一项研究中。
各种天文观测表明，我们能看到或触摸到的普通物质只占宇宙总质量和能量预算的5%。在银河系中，恒星中每有1公斤的普通物质，就有15公斤的暗物质，暗物质不发射任何光，只通过引力相互作用。
暗物质的本质仍然是个谜。大多数科学家认为它是由未知的基本粒子组成的，”华沙大学天文台的Przemek博士Mr.óz说，他是这两篇文章的主要作者。“不幸的是，尽管几十年的努力，没有任何实验(包括大型强子对撞机进行的实验)发现可能导致暗物质的新粒子。”
自从2015年首次探测到一对黑洞合并产生的引力波以来，LIGO和处女座的实验已经探测到90多次这样的事件。天文学家注意到，LIGO和室女座探测到的黑洞通常比之前在银河系中已知的黑洞(5-20太阳质量)要大得多(20-100太阳质量)。
“解释为什么这两类黑洞如此不同是现代天文学最大的谜团之一，”Mr.óz博士说。
一种可能的解释是，LIGO和处女座探测器发现了一群可能形成于早期宇宙的原始黑洞。50多年前，英国理论物理学家斯蒂芬·霍金首次提出了它们的存在，苏联物理学家雅科夫·泽尔多维奇也独立提出了它们的存在。
Mr.óz博士说:“我们知道，早期的宇宙并不是理想的均匀——微小的密度波动产生了现在的星系和星系团。”“类似的密度波动，如果超过临界密度对比，可能会坍缩并形成黑洞。”
自从第一次探测到引力波以来，越来越多的科学家一直在推测，这种原始黑洞可能包含了暗物质的很大一部分，如果不是全部的话。
幸运的是，这个假设可以通过天文观测得到证实。我们观察到银河系中存在着大量的暗物质。如果它是由黑洞组成的，我们应该能够在我们的宇宙邻居中探测到它们。考虑到黑洞不发射任何可探测的光，这可能吗?
根据爱因斯坦的广义相对论，光在大质量物体的引力场中可能会弯曲和偏转，这种现象被称为引力微透镜。
OGLE调查的首席研究员Andrzej Udalski教授说:“当三个物体——地球上的观察者、光源和透镜——在太空中几乎完美地排列在一起时，就会发生微透镜现象。”“在微透镜事件中，光源的光可能会被偏转和放大，我们观察到光源的光暂时变亮。”
增亮的持续时间取决于透镜物体的质量:质量越高，事件持续时间越长。太阳质量的物体产生的微透镜效应通常会持续数周，而质量为太阳100倍的黑洞产生的微透镜效应则会持续数年。
利用引力微透镜来研究暗物质的想法并不新鲜。它最早是在20世纪80年代由波兰天体物理学家Bohdan Paczyński提出的。他的想法激发了三个主要实验的开始:波兰的OGLE，美国的MACHO和法国的EROS。这些实验的第一个结果表明，质量小于一个太阳质量的黑洞可能只包含不到10%的暗物质。然而，这些观测对极长时间尺度的微透镜事件不敏感，因此，对大质量黑洞不敏感，类似于最近用引力波探测器探测到的黑洞。
通过银河系光晕看到的朝向大麦哲伦星云的大质量物体的预期与观测的微透镜事件
在《天体物理学杂志增刊》系列的新文章中，OGLE天文学家展示了近20年来对附近星系(称为大麦哲伦星云)中近8000万颗恒星的光度监测结果，以及对引力微透镜事件的搜索。所分析的数据是在OGLE项目2001年至2020年的第三和第四阶段收集的。
Udalski教授说:“这个数据集提供了现代天文学史上对大麦哲伦星云中恒星的最长、最大和最准确的光度观测。”
第二篇文章发表在《自然》杂志上，讨论了这些发现的天体物理学后果。
Mr.óz博士说:“如果整个银河系的暗物质都是由10个太阳质量的黑洞组成的，我们应该探测到258个微透镜事件。”“对于100个太阳质量的黑洞，我们预计会发生99次微透镜事件。1000个太阳质量的黑洞——27个微透镜事件。”
相比之下，OGLE天文学家只发现了13个微透镜事件。他们的详细分析表明，所有这些都可以用银河系或大麦哲伦星云中已知的恒星群来解释，而不是用黑洞来解释。
“这表明大质量黑洞最多只能构成百分之几的暗物质，”Mr.óz博士说。
详细的计算表明，10个太阳质量的黑洞可能最多包含1.2%的暗物质，100个太阳质量的黑洞占暗物质的3.0%，1000个太阳质量的黑洞占暗物质的11%。
“我们的观察表明，原始黑洞不可能构成暗物质的很大一部分，同时，解释了LIGO和处女座观测到的黑洞合并率，”Udalski教授说。
因此，对于LIGO和处女座探测到的大质量黑洞，需要其他解释。根据一种假设，它们是大质量、低金属丰度恒星演化的产物。另一种可能性是在密集的恒星环境中合并质量较小的物体，比如球状星团。
“我们的研究结果将在未来几十年留在天文学教科书中，”Udalski教授补充道。
