Question

原始黑洞是否可能是暗物质？

Answer 1

　　英国著名物理学家斯蒂芬·霍金提出过一个观点：看不见的“原始”黑洞可能是隐藏的暗物质。这一理论已经失宠了几十年，但一系列新的研究显示，这一理论或许可以解释许多东西。

　　黑洞是一种优雅、简洁的天体，但在大众的想象中，它们有时会显得十分可怕。在许多方面，它们就像一个理想的黑体（能吸收全部外来电磁辐射，没有任何反射和透射的物体），使得我们很难估计宇宙中存在多少黑洞，以及它们的大小。因此，2015年9月，当激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的探测器第一次探测到引力波时，的的确确给物理学界带来了惊喜。在此之前，最大的恒星黑洞——大质量恒星引力坍缩后形成的黑洞——的质量大约是太阳的20倍；而这些新发现的黑洞都有大约30倍太阳质量，这并非不可思议，只是非常奇怪。此外，当LIGO启动并立即开始听到这类物体相互融合的信号时，天体物理学家就意识到，一定还有更多的黑洞潜伏在那里，也许远远超过他们的想象。

　　这些奇怪黑洞的发现给一个旧观点注入了新的活力，近年来，这种观点已经逐渐边缘化。我们知道，垂死的恒星可以产生黑洞，但黑洞或许也能在宇宙大爆炸中诞生。这些“原始”黑洞可能隐藏了起来，并构成了暗物质。毕竟，尽管经过了几十年的 探索 ，研究者仍然没有探测到暗物质粒子。或许我们可以大胆地假设，如果黑洞一直就在我们的眼皮底下，情况又会如何？

　　美国约翰·霍普金斯大学的宇宙学家马克·卡米奥考斯基（Marc Kamionkowski）表示，这的确是一个疯狂的想法，但并不一定比其他观点更疯狂。事实上， 探索 这方面可能性的论文已经有很多。2016年，卡米奥库斯基所在的研究小组也发表了一篇令人瞩目的论文。

　　可惜的是，纽约大学天体物理学家亚辛•阿里-海蒙德（Yacine Ali-Haimoud）在2017年发表了一篇论文，对这种类型的黑洞将如何影响LIGO的探测率进行了检验，在此之后，暗物质与原始黑洞的关系开始受到质疑。阿里-海蒙德计算出，如果新生宇宙产生的黑洞足够多，能够解释暗物质，那么随着时间的推移，这些黑洞将形成双黑洞系统，彼此环绕并越来越近，其合并速度甚至比LIGO观测到的合并事件高数千倍。他呼吁其他研究人员使用其他方式，继续研究这个想法。但许多人失去了希望。卡米奥考斯基指出，阿里-海蒙德的论点是如此戳中要害，以至于他自己对这个假说的兴趣都被浇灭了。

　　然而现在，随着最近一系列论文的发表，原始黑洞的观点似乎又复活了。不久前，法国蒙彼利埃大学的宇宙学家卡尔斯顿·让达齐克（Karsten Jedamzik）在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上发表了最新的研究报告，其中阐述了大量的原始黑洞会如何导致与LIGO观测结果完全吻合的碰撞。“如果他的结果是正确的——看起来他做的是相当仔细的计算——那就将给我们的计算画上休止符，”阿里-海蒙德说，“这将意味着它们实际上可能就是所有的暗物质。”他在后续的论文中也继续对原始黑洞的观点展开研究。

　　英国苏塞克斯大学的宇宙学家克里斯蒂安·伯恩斯（Christian Byrnes）表示，这一结果非常令人兴奋，“他比以前任何人都走得更远”。伯恩斯为让达齐克的一些论点提供了帮助。

　　这一论点的最初想法可以追溯到20世纪70年代斯蒂芬·霍金和伯纳德·卡尔（Bernard Carr）的工作。他们推断，在宇宙最初的几分之一秒内，密度的微小波动可能会赋予某些区域过多的质量。每一个这样的区域都会坍缩成黑洞，而黑洞的大小将由该区域的视界决定。所谓视界，便是以光速可到达的任何点周围的空间。视界内的任何物质都会感受到黑洞的引力并坠入黑洞。霍金的粗略计算表明，如果黑洞的大小超过较小的小行星，那么它们可能仍潜伏在今天的宇宙中。

　　20世纪90年代取得了更大的进展。那时，理论物理学家们还提出了宇宙暴胀理论，认为宇宙在大爆炸之后经历了一次极端膨胀。暴胀理论可以解释最初的密度涨落从何而来。在密度涨落的基础上，物理学家们还考虑了一个沿着坍缩方向进行的关键跃迁。

　　宇宙刚形成时，其所有的物质和能量都在难以想象的高温等离子体中沸腾。在最初的十万分之一秒左右之后，宇宙冷却了一些，等离子体中的松散夸克和胶子得以结合在一起，形成更重的粒子。当一些闪电般快速运动的粒子被束缚在一起时，压力也随之下降。这可能有助于更多的区域坍缩成黑洞。

　　但在20世纪90年代，没有人对夸克和胶子流体的物理学有足够的了解，因此无法准确预测这种转变将如何影响黑洞的产生。理论物理学家还说不清楚原始黑洞的质量应该有多大，或者其数量应该有多少。

　　此外，宇宙学家似乎并不是真的需要原始黑洞。巡天调查对天空的一小块区域进行了扫描，希望能找到大量像黑洞一样稠密的暗物体漂浮在银河系的外围，但并没有多少收获。相反，大多数宇宙学家开始相信，暗物质是由极端“不合群”的大质量弱相互作用粒子（WIMP）组成的。这是一种仍然停留在理论阶段的粒子，只通过弱核力和引力产生相互作用，基本上不与普通物质发生相互作用。专门建造的WIMP探测器，以及即将上线的大型强子对撞机或许将很快找到它们存在的确凿证据。希望如此吧。

　　暗物质的问题看似即将取得突破，而且没有观察结果表明有其他选项，于是，原始黑洞在学术上就成了一潭死水。“一位资深宇宙学家似乎在嘲笑我研究这个，”让达齐克说，“所以我停下了，因为我需要一个永久的职位。”他在这方面的研究兴趣可以追溯到20世纪90年代。

　　当然，科学家在那之后的几十年里没有发现WIMP，也没有发现任何新的粒子（除了很久之前就预测存在的希格斯玻色子）。暗物质谜题的解答仍然遥遥无期。

　　然而，关于可能产生原始黑洞的环境，我们现在知道得更多了。物理学家已经可以计算出宇宙诞生之初的夸克-胶子等离子体如何演化出压力和密度。伯恩斯表示，物理学界花了几十年时间才取得了这些成果。利用这些信息，伯恩斯和马德里自治大学的胡安加西亚-伯利多（Juan García-Bellido）等理论物理学家，在过去几年中发表了一系列论文，预测早期宇宙产生的黑洞可能不仅仅只有一种大小，而是有一系列不同的大小。

　　一开始，夸克和胶子结合在一起形成质子和中子。这导致了压力下降，并可能产生了一组原始的黑洞。随着宇宙持续冷却，π介子等粒子形成，造成另一次压力骤降和可能的黑洞爆炸。

　　在这两个时期之间，空间本身也在膨胀。最初的黑洞可以从自身周围的视界吸入大约相当于太阳质量的物质。第二轮则可能吸入大约30倍太阳质量的物质，就像LIGO第一次探测到的奇怪物体一样。“引力波拯救了我们，”加西亚-伯利多说道。

　　2016年，在LIGO团队宣布了探测到第一个引力波后的几周内，原始黑洞假说又复活了。但是第二年，阿里-海蒙德提出了他的观点，认为原始黑洞会过于频繁地碰撞，这给原始黑洞假说的支持者带来了巨大的挑战。

　　让达齐克接受了挑战。在哥斯达黎加的一次长假中，他对阿里-海蒙德的说法进行了仔细研究。阿里-海蒙德是通过方程进行分析的，但是当让达齐克对同样的问题进行数值模拟时，他发现了一个转折。

　　原始黑洞确实会形成双黑洞系统，但让达齐克的结论是，在一个充满黑洞的宇宙中，第三个黑洞通常会接近最初的一对黑洞，并与其中的一个黑洞交换位置。这一过程将一再重复。

　　随着时间的推移，这种从一对黑洞到另一对黑洞的变换会使双黑洞系统的轨道几乎变成圆形。这些成对黑洞的碰撞速度会非常慢。即使存在大量的原始黑洞，其合并也不会如此地频繁。这就使整个假设仍然符合LIGO观测到的合并率。

　　2020年6月，让达齐克在网上发表了自己的研究成果，回答了阿里-海蒙德等外界专家提出的问题。他说：“尽一切可能让学术界相信，你不是在胡言乱语，这是非常重要的。”

　　他还预测，原始黑洞将位于暗星团中，后者的直径大约相当于太阳和最近恒星之间的距离。每一个星团可能都包含了大约1000个挤在一起的黑洞。质量为30个太阳的巨型黑洞将位于中心；更普通的小一些的黑洞则填满剩下的空间。这些星系团会潜伏在天文学家认为暗物质存在的任何地方。就像星系中的恒星，或者绕太阳旋转的行星一样，每个黑洞的轨道运动将阻止它吞噬另一个黑洞——除非发生一些不寻常的合并事件。

　　在第二篇论文中，让达齐克精确计算了这些合并事件的罕见程度。他计算了LIGO观测到的大黑洞和未观测到的小黑洞（小黑洞会发出微弱而尖锐的信号，只有在离它很近的地方才能探测到）。“当然，当我一个接一个地得出合并率的正确数值时，我感到非常震惊，”让达齐克说道。

　　原始黑洞假说的支持者们还有许多事情要做，才能更具有说服力。大多数物理学家仍然相信，暗物质是由某种基本粒子构成的，而这种粒子极其难以探测。此外，如果LIGO探测到的黑洞来自普通恒星，那么它们与我们预期的黑洞并没有太大不同。“这在某种程度上填补了理论中一个实际上并不存在的漏洞，”美国卡耐基梅隆大学的天体物理学家卡尔·罗德里格斯（Carl Rodriguez）说，“一些LIGO光源有些奇怪的地方，但我们可以通过正常的恒星演化过程来解释目前为止我们所看到的一切。”

　　哈佛大学的天体物理学家塞尔玛•德•明克（Selma de Mink）则更为直言不讳，他说：“我认为天文学家对此可以一笑了之。”他曾提出恒星如何独自形成LIGO所观测到的大型双黑洞系统的理论。

　　根据原始黑洞假说，发现一个亚太阳质量的黑洞应该是比较常见的，而且这种黑洞不能由恒星形成。如果这一观点是正确的，那将会改变整个争论。在未来的每一次观测中，随着LIGO灵敏度的提高，它最终要么能发现这些小型的黑洞，要么将对可能存在的黑洞数量设定严格的限制。“这个假说不同于弦理论，十年或三十年后，我们可能仍在讨论弦理论是否正确，”伯恩斯说道。

　　与此同时，其他天体物理学家也在 探索 这个理论的不同方面。例如，也许对原始黑洞最强烈的限制来自微引力透镜搜索。微引力透镜是20世纪60年代就提出的概念，描述的是发生在恒星级天体中的引力透镜现象，对这些现象的调查同样开始于20世纪90年代。天文学家通过这些调查监测明亮但遥远的光源，等待暗物体从它们前方经过。长期以来的研究排除了均匀分布的小型黑洞存在的可能性。

　　但加西亚-伯利多表示，如果原始黑洞以一系列大小不同的质量存在，如果它们被压缩成密集的大质量星团，那以上这些结果可能就没有研究人员想象的那么重要。接下来的观测或许能最终解决这个问题。欧洲空间局最近同意为美国国家航空航天局即将推出的罗曼太空望远镜（原名大视场红外巡天望远镜）提供一项关键的额外功能，这将使它能够进行突破性的微引力透镜研究。

　　这项功能是在欧洲空间局科学主任冈瑟·哈辛格（Gunther Hasinger）的指令下推出的，他曾提出，原始黑洞可以解释多个谜团。在哈辛格看来，这是个很吸引人的想法，因为没有引入新的粒子或新的物理理论，而只是重新利用了旧元素。“我相信，也许有些悬而未决的谜题其实可以自己解决，只要你用不同的眼光看，”他说道。（任天）