在黑洞里，人们能找到有关宇宙暗物的成因吗？

一项新的研究理论认为，大爆炸后形成的原始黑洞（如图左所示）构成了宇宙中所有的暗物质。在早期阶段，它们聚合在一起形成了早期星系萌芽的土壤，然后通过吸集气体与其他黑洞合并，最终成长为类似在银河系中心所看到的超大质量黑洞。（图片来源：耶鲁大学和欧洲航天局）

在宇宙大爆炸后的最初时期里所形成的原始黑洞里，有小到比针头还小的小质量黑洞也有大到覆盖数十亿英里的超大质量黑洞。从这些黑洞里，人们也许可以找到有关宇宙中所有暗物成因的解释。

此模型是耶鲁大学、迈阿密大学和欧洲航天局（ESA）的天体物理学家在合作研究关于早期宇宙时的一个新推演。此外，科学家们也期待能通过詹姆斯·韦伯太空望远镜的观察数据来证明这一发现并加深我们对暗物质和黑洞的起源及性质的理解。

暗物质，构成了宇宙中的大部分物质，却从未被直接观测过，如同宇宙中隐藏的脚手架，为星系形成和发展提供了帮助。物理学家们已经花费了数年的时间来研究各种可能形成暗物质的粒子，其中包括一些假设的粒子：惰性中微子、弱相互作用的大质量粒子（WIMPS）和轴子等。另一方面，黑洞已经被观察到。黑洞是空间中的一个奇点，此点处的物质被紧紧地压缩在一起而产生强烈的引力。即使是光也无法逃离其吸引。黑洞往往多见于许多星系的中心。

（图片来源：geralt/Pixabay）

这项新研究被发表在《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）上，它回顾了物理学家斯蒂芬-霍金和伯纳德-卡尔在1970年代所提出的理论。当时，霍金和卡尔认为，在大爆炸后的最初几分之一秒，宇宙密度的微小波动可能已经产生了一种具有额外质量“块状”区域的涨落图景。而这些凹凸不平的区域则会坍塌形成了黑洞。尽管该理论没有获得科学界更广泛的支持，但基于这份新研究，人们倘若对此稍加完善，也许可以在一定程度上解释黑洞和暗物质的形成。

Priyamvada Natarajan，是耶鲁大学天文和物理学的一名教授，也是这篇文章的理论研究者，Natarajan认为，如果大多数新生的原始黑洞的质量是大约太阳质量的1.4倍的话，就有可能解释所有暗物质的起源。

Natarajan和她的同事称，根据他们的新模型，早期宇宙中的第一批恒星和星系会在黑洞周围形成。原始黑洞可以通过吞噬其附近的气体和恒星或通过与其他黑洞合并而成长为超大质量黑洞。Natarajan认为，如果原始黑洞的确存在，那么它将很可能是所有超大质量黑洞形成的“种子”，这其中当然也包括银河系中心的黑洞。她又补充道：“我个人认为这个想法能如此振奋人心之处在于它能和谐地统一我工作中两个具有挑战性的问题，即探测暗物质的性质和黑洞的形成及增长。”

詹姆斯·韦伯望远镜的任务是去寻找早期宇宙中形成的第一批星系以及观察形成行星系统的恒星。

（图片来源：Paul Volkmer/Pixabay）

这项新研究的第一作者是Nico Cappelluti，他曾是耶鲁大学天文学和天体物理学中心的博士后研究员，目前担任迈阿密大学的物理学助理教授。而欧洲航天局的科学主任Günther Hasinger是该研究的第二作者。Cappelluti表示：“我们的研究表明，在不引入新粒子或新物理理论的情况下，我们可以解释从暗物质本身的性质到超大质量黑洞的起源等现代宇宙学奥秘。”

原始黑洞也可以解释另一个宇宙学难题，即那些从散布在宇宙中遥远而暗淡之处发出与X射线辐射同步的过量红外辐射。Natarajan和她的同事认为，持续增长的原始黑洞会呈现出与此正好相同的辐射特征。最重要的是，詹姆斯·韦伯太空望远镜将联合欧洲航天局计划于2030年左右发射的激光干涉仪空间天线（LISA）来证明原始黑洞是否存在。

如果暗物质是由原始黑洞组成的假设成立，那么我们应该发现更多的早期宇宙中的恒星和星系围绕在这些原始黑洞附近形成--这正是詹姆斯·韦伯望远镜所能观察到的时期。与此同时，LISA将能够从这些早期合并的原始黑洞中捕捉到引力波信号。

欧洲航天局的科学主任Hasinger说：“如果第一批恒星和星系已经在所谓的‘黑暗时代’形成，韦伯就应该能够观察到它们存在的线索。”耶鲁大学天文和物理学教授Natarajan则认为，“深入探究这个理论将是极具意义的，毕竟它将很快得到验证。”

作者：Jim Shelton

翻译：范嘉豪

审校：董子晨曦

引进来源：耶鲁大学（Yale University）

本文来自：中国数字科技馆