宇宙中的黑马

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一开始的原始黑洞能解释宇宙中神秘的缺失质量“暗物质”吗？

宇宙一开始是一种奇怪的汤。大星系尚未形成，飞行粒子比当今宇宙中的恒星中心还要热。其中，被称为夸克的微小粒子聚集在一起，形成原子的基石：中子、质子和电子。通过一个被称为宇宙膨胀的过程，宇宙像气球一样膨胀，平滑了团块。

可能是宇宙中缺失的物质——被物理学家称为暗物质——当时也形成了。暗物质是天文学臭名昭著的谜团之一。在过去的一个世纪里，越来越多的证据表明，除了构成我们桌子、地球甚至我们自己的东西外，一定还有一些东西。20世纪70年代，天文学家维拉·鲁宾提出了一个早期的暗示，她表明，星系边缘的恒星旋转速度比我们通过望远镜看到的质量预期的要快。那里必须有其他重物，施加足够的重力使星系旋转。自20世纪80年代以来，天文学家一直同意：在我们的观测中，暗物质必须存在来解释“缺失的质量”，但我们看不到它，因为它没有以典型的方式与光相互作用。我们目前的最佳估计表明，宇宙中暗物质的量应该是“正则”物质的五倍左右。事实上，我们在日常生活中互动的所有东西都占宇宙中物质的不到5%。

罗德岛州布朗大学的理论物理学家和博士候选人利亚·詹克斯表示：“暗物质占宇宙的25%，我们不知道它是什么！”

“因此，从这个意义上说，这是该领域一个非常重要的开放式问题。我认为这也是一个有趣的问题，因为在试图想出新的方法来理解这个神秘的缺失的事情时，有很多创造力的空间。

到目前为止，我们有很多想法，但几乎没有证据可以证实其中任何想法。物理学家花了很多时间寻找新的粒子来解释缺失的质量。最受欢迎的候选者之一，即称为WIMP的大粒子集合，或相互作用弱的大质量粒子，最近已经失宠，因为实验无法找到证据。尽管使用粒子加速器、大型地下粒子检测室和其他实验进行研究，但宇宙没有给我们任何迹象表明暗物质是这些难以捉摸的粒子之一。这导致科学家寻找其他极小的粒子，这些粒子受到奇怪的量子现象（称为“模糊暗物质”）的影响，甚至改变了我们所知道的物理学基本定律（一种经常回避的被称为“蒙德”的理论）。

但由于缺乏任何这些想法的证据，出现了一个黑马理论。在宇宙的前几秒钟，原始汤中可能还有另一种成分：黑洞。这些从一开始就被称为原始黑洞（PBHs）的黑洞，今天可能仍然潜伏着——一些科学家认为它们可以解决暗物质问题。

黑洞通常由最大恒星的死亡形成，其中恒星的所有质量都会坍缩到一个极其密集的点。他们的引力是如此之大，以至于任何东西，即使是光，都无法逃脱。但在宇宙的第一秒，恒星还不存在——那么当时黑洞怎么可能形成呢？计算表明，从宇宙汤的稠密部分来看，这很容易。加州大学洛杉矶分校物理学教授Alexander Kusenko表示：基本配方是“从早期宇宙中拿一勺，挤压30%”。

Kusenko和其他一些人认为，原始黑洞现在是我们拥有的最有希望的暗物质候选者。PBH的真正吸引力在于它们的简单性——与需要理论描述新粒子的其他暗物质选项不同，我们已经有证据表明黑洞是真实的。

然而，原始黑洞不是一个特别新的想法。他们的故事始于20世纪60年代的俄罗斯，当时两位物理学家——雅科夫·泽尔多维奇和伊戈尔·诺维科夫——首先考虑了在早期宇宙中形成黑洞等极其密集物体的可能性。他们的计算表明，这些稠密区域会增长得太快，并用强烈的辐射加热早期宇宙，这与我们所知道的真实宇宙的观测明显冲突。

但在20世纪70年代，英国物理学家斯蒂芬·霍金和他的研究生伯纳德·卡尔开始更深入地观察。他们一起写了第一篇论文，表明原始黑洞毕竟可能是一种真正的可能性，找到了解决失控生长问题的方法。伦敦玛丽女王大学数学和天文学名誉教授卡尔曾表示：“这就是再次将原始黑洞放在地图上的原因，因为没有理由相信它们不可能存在。”

不久之后，霍金发现了所谓的霍金辐射，这使黑洞慢慢蒸发。对于更大的恒星大小的黑洞来说，它们蒸发的时间太长了，不引人注目——比宇宙存在的时间要长。然而，对于小型PBH，我们可能会看到它。数十亿年前宇宙开始时形成的一座山的质量和质子大小的黑洞应该会显示出它生命的爆炸性终结。

自20世纪70年代卡尔和霍金的原始理论以来，人们提出了许多关于原始黑洞如何在宇宙存在的后一秒的第一部分中形成的场景。在这个很久以前的时代，婴儿宇宙非常热，充满了高能粒子和光，其行为与我们今天所熟悉的完全不同。制作原始黑洞的关键是以某种方式使炎热的早期宇宙的一小部分稍微密集一些，这样它就可以坍塌成黑洞。

事实证明，早期宇宙的一部分有很多方式可能会变得格外密集。最简单的可能性是这里和那里的肿块暴露了“原始不均匀性”。这与宇宙微波背景（CMB）中看到的波动没有太大不同，宇宙微波背景是我们在大爆炸数十万年后宇宙变得透明的瞬间看到的微弱辐射。CMB出现在我们可以指向望远镜的每个方向，但有一些微小的波动，只有我们最精确的仪器才能发现。这些波动本质上是随机的，这是粒子在早期宇宙中移动的统计性质的结果。另一种可能性是，宇宙膨胀，即早期宇宙形成后不久迅速扩张的过程，造成了更多的密度波动，然后可能继续成为黑洞。

Carr目前正在研究的一个模型提出，原始黑洞是在QCD过渡时期形成的，在大爆炸后绝对微不足道的10万秒。QCD代表量子色动力学，这是理论物理学的一个分支，涉及粒子如何通过强核力相互作用，强核力将原子核结合在一起。因此，QCD的转变是当宇宙从夸克和胶子汤（质子和中子的成分，以及将它们结合在一起的胶水）转变为完全形成的质子和中子汤。在宇宙历史上的这个独特时刻，制作PBH会更容易。你不必挤出一勺宇宙，因为它很难崩溃。

另一方面，Kusenko正在研究一个模型，该模型只添加了一个新的物理位——一种被称为“Yukawa力”的粒子之间的新型相互作用——以挤压足够的物质，形成适量的原始黑洞来解释暗物质。添加新的物理学绝非史无前例。事实上，这实际上是该领域理论物理学家的工作。

原始黑洞可以蠕动进入中子星的中心，吞噬整个中子星

许多其他模型依赖于物理学中一些最奇妙的想法。一种理论认为，宇宙弦——早期宇宙结构上的裂缝——有时可能会相互循环，形成黑洞。另一种理论提出，来自多元宇宙的“婴儿宇宙”可以在我们自己的宇宙中以原始黑洞的形式出现。如果所有这些现象都发生了，但在宇宙的最初几秒钟里，时间略有不同，结果将是不同大小的原始黑洞。

来源：Carr和Kuhnel 2020

我们排除了所有不同类型的原始黑洞：任何着色的区域都是我们看不到PBH的证据的地方。x轴显示黑洞的质量，y轴显示这些PBH可以解释的暗物质比例（其中10^0是100%）。

几十年来，少数物理学家一直在考虑这些理论和其他理论，重点是如果它们变得真实，它们将如何影响早期宇宙。事实上，由于原始黑洞会产生如此巨大的影响，物理学家已经想出了许多方法来证明或反驳它们是真实的。

霍金辐射立即将最小的PBH排除为暗物质候选物，因为它们的寿命不足以维持到现在。另一方面，质子大小的黑洞可以存活到今天，但随后会爆炸性地蒸发——我们只是没有看到这样的东西，所以它们也被排除在外。即使原始黑洞没有从霍金辐射中发光，它们也会在吞噬物质时发出光，加热周围的区域。通过查看宇宙温度的历史，科学家可以为原始黑洞设定另一个限制。

在我们的现代宇宙中，星系中的PBH可能会随机飞行，以重力扰乱恒星的轨道，并以我们可以观察到的方式将它们推得有点不合时宜。科学家还预测，一些PBH将沉淀到银河系中心，就像沙子落入漏斗一样。测量银河系中心的质量可以告诉我们潜伏在那里的最大PBH量。

然而，原始黑洞与物质相互作用的最戏剧性方式之一是与宇宙中的其他物体（如恒星和行星）碰撞。原始黑洞可以蠕动进入中子星的中心，中子星是来自死大质量恒星核心的致密残留物。一旦他们最终到达中心，他们就会迅速从内部吞噬整个中子星，在被称为千新星的壮观闪光中摧毁它。这一暴力事件还留下了中子的飞溅，以及铂和铀等重元素。两颗中子星碰撞也可以形成千新星，尽管这会引发引力波——时空本身结构的波动——因此，找到一个没有引力波伴随它的千核可以证明原始黑洞在起作用。

他们检测到的黑洞比你想象的恒星死亡还要大

有很多可能性，有些，如中子星场景，是古怪的。但两种方法可以帮助我们克服不确定性，找到更多原始黑洞的具体证据。跟踪原始黑洞的一种固体方法是微透镜，当来自明亮物体的光线经过质量很大的物体时，就会发生微透镜。大质量物体以其引力弯曲时空，由于光遵循电阻最小的路径，来自明亮物体的光也会弯曲。即使大质量物体没有发光，就像黑洞一样，你仍然可以测量它对发光的东西的影响。三个被称为MACHO、EROS和OGLE的实验对天空进行了调查，寻找这种天体透镜，其中一些可能来自原始黑洞。这些观察使科学家非常相信，某些尺寸的PBH并不存在。

另一种检测原始黑洞的方法使用当大质量物体（如黑洞）破坏时空时产生的引力波。在开创性的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）于2015年打开探测器不到一年后，物理学家检测到来自两个黑洞的引力波——每个黑洞大约比我们的太阳大30倍——螺旋进入并相互融合。从那时起，他们发现了更多的黑洞合并，开辟了大量的新问题。

他们检测到的黑洞比你从恒星的死亡中预期的要大，这让科学家感到惊讶。大多数人仍然认为，这些较大的黑洞来自随着时间的推移聚集在一起的多个普通的星型黑洞。但是，根据Carr的说法，几组科学家认为，这些大黑洞可以是原始黑洞，可以自然形成这种大小的黑洞。

虽然科学家无法就附近的黑洞合并是来自恒星还是原始黑洞达成一致，但找到足够远的黑洞合并的证据将使天平向原始黑洞倾斜。由于光的传播是恒定的，当我们在宇宙中遥远地看时，我们也在回顾时间。四光年之外的恒星实际上在过去四年里被看到，因为这就是我们看到的光到达我们的时间。引力波也不能比光传播得更快——因此，如果我们看到黑洞合并如此之遥远，以至于它来自恒星形成之前，那一定是原始黑洞的合并。

我们可以用引力波再进行一次观察，这肯定会成为原始黑洞的证据：找到一个太阳大小的黑洞。恒星不能产生这么小的黑洞，所以它必须来自早期的宇宙。

这让我们回到了我们最初的问题——如果原始黑洞确实存在，它们能解决暗物质问题吗？基于霍金辐射和微透镜的研究排除了相当多尺寸的原始黑洞，但不是全部。有三（或四）质量的原始黑洞可以存在，并与当前的观测结果很好地配合，甚至可以解释暗物质的奥秘，这取决于你问谁。

Carr认为，可能存在四大质量的原始黑洞：小行星大小、月球大小（约地球质量的约十分之一）、太阳大小和令人难以置信的巨大（质量是太阳质量的十亿倍以上）。虽然巨大的原始黑洞很有趣，可以解释我们在引力波中看到的内容，但它们并不是暗物质的真正候选者。关于太阳大小的是否可能，也存在相当多的争议。这使得小行星到月球大小的PBH成为解释暗物质的唯一被接受的选择。

即便如此，相当多的科学家对原始黑洞持怀疑态度，这些黑洞有时被视为疯狂的边缘想法。Kusenko认为：“健康的怀疑论是科学话语中一个受欢迎和必要的部分。”“所以，如果这些人的怀疑是基于一些合乎逻辑的论点，他会很高兴。”

然而，就连他也同意，原始黑洞作为暗物质存在一些缺点。这些小黑洞很难检测到，鉴于目前的限制，原始黑洞不太可能构成所有暗物质。

更多的星系可能是原始黑洞在周围的迹象，帮助他们开始

不过，如果它们不必都是暗物质呢？一个获得牵引力的新想法是，暗物质可能是不同事物的集合——我们刚刚开始调查的整个“黑暗领域”。“如果只有一个真正的暗物质，那么任何无法构成宇宙中全部暗物质部分的候选者都是不令人满意的。康涅狄格州耶鲁大学物理学博士候选人Luna Zagorac表示：PBH可以完全排除，“但是，如果它可以构成该部分的任何部分，那么就更难排除任何事情[WIMP、模糊的暗物质、其他候选人都可能是组合的一部分]。”

因此，即使原始黑洞无法解释所有的暗物质，它们肯定从一开始就对宇宙产生有趣的影响。除了形成暗物质外，科学家认为巨大的原始黑洞可以帮助解释星系中心最大的黑洞——比如射手座A*，最近由事件地平线望远镜拍摄的——是如何开始的。

此外，不断改进技术应该有助于我们调查原始黑洞。例如，南非的平方公里阵列（SKA）望远镜应该能够对被称为脉冲星的快速旋转的死恒星进行新的测量。脉冲星就像灯塔，在旋转时会发射巨大的物质流向我们闪烁，并使其看起来像是周期性闪烁。在脉冲星和地球之间移动的原始黑洞可以弯曲光线，并如此微小地改变脉冲星眨眼的周期——我们可以观察到这种影响。

使用光学望远镜进行的新观测也应该能够通过微透镜探测较小的原始黑洞。Kusenko和合作者，如日本Kavli宇宙物理和数学研究所的物理学家Misao Sasaki，正在夏威夷用斯巴鲁望远镜的Hyper Suprime-Cam寻找小黑洞。当一个小的原始黑洞经过我们最近的恒星仙女座星系前面时，他们应该能够发现星光是如何围绕PBH弯曲的。新发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜也应该有助于发现PBH的迹象——它将比以往任何时候都更深入地窥视宇宙的过去，最终打开一扇窗口来观察第一批星系。如果星系或星系比预期的要多，这可能是原始黑洞存在的迹象，有助于星系开始。

然而，可以说，发现黑洞最令人兴奋的前景是引力波。引力波探测器可以找到古老的黑洞合并，比太阳小的黑洞，甚至发现黑洞首次形成时在宇宙存在第一秒的原始汤中的特征。当PBH在宇宙之初崩溃时，它们会震撼时空——导致被称为随机引力波背景的引力波模糊噪声。我们目前的引力波探测器都在地球上——美国的LIGO、日本的KAGRA和欧洲的VIRGO——但地平线上还有更多的下一代仪器，其中一些将在太空中。每个LISA、TAIJI和DEIGO任务都是一组三艘航天器，它们将以三角形方式绕太阳运行，探测出比我们在地球上所能观察到的不同类型的引力波。在未来几十年里，这些新的探测器最终可以发现原始黑洞的明确迹象。如果科学家检测到这些令人兴奋的物体，那么我们终于可以解决至少部分暗物质之谜。

来源：美国宇航局/通过维基媒体提供

LISA、TAIJI和DECIGO任务将以三角形绕太阳运行，探测不同类型的引力波。这位艺术家的表演将LISA任务可视化为在地球附近运行（而不是按比例）。

暗物质的候选者多种多样，正在做出许多努力来检测它们。“所以，任何人都可以在任何时候发现什么是暗物质（也许在不久的将来）。”

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