原始黑洞可能是暗物質?

在整個宇宙中，原始黑洞可能會以不同的團塊聚集，相對較大的黑洞被小得多的黑洞包圍

英國著名物理學家史蒂芬·霍金提出過一個觀點：看不見的「原始」黑洞可能是隱藏的暗物質。這一理論已經失寵了幾十年，但一系列新的研究顯示，這一理論或許可以解釋許多東西。

黑洞是一種優雅、簡潔的天體，但在大眾的想像中，它們有時會顯得十分可怕。在許多方面，它們就像一個理想的黑體（能吸收全部外來電磁輻射，沒有任何反射和透射的物體），使得我們很難估計宇宙中存在多少黑洞，以及它們的大小。因此，2015年9月，當雷射幹涉儀引力波天文臺（LIGO）的探測器第一次探測到引力波時，的的確確給物理學界帶來了驚喜。

在此之前，最大的恆星黑洞——大質量恆星引力坍縮後形成的黑洞——的質量大約是太陽的20倍；而這些新發現的黑洞都有大約30倍太陽質量，這並非不可思議，只是非常奇怪。此外，當LIGO啟動並立即開始聽到這類物體相互融合的信號時，天體物理學家就意識到，一定還有更多的黑洞潛伏在那裡，也許遠遠超過他們的想像。

這些奇怪黑洞的發現給一個舊觀點注入了新的活力，近年來，這種觀點已經逐漸邊緣化。我們知道，垂死的恆星可以產生黑洞，但黑洞或許也能在宇宙大爆炸中誕生。這些「原始」黑洞可能隱藏了起來，並構成了暗物質。畢竟，儘管經過了幾十年的探索，研究者仍然沒有探測到暗物質粒子。或許我們可以大膽地假設，如果黑洞一直就在我們的眼皮底下，情況又會如何？

這的確是一個瘋狂的想法，但並不一定比其他觀點更瘋狂。事實上，探索這方面可能性的論文已經有很多。可惜的是，紐約大學天體物理學家亞辛•阿里-海蒙德在2017年發表了一篇論文，對這種類型的黑洞將如何影響LIGO的探測率進行了檢驗，在此之後，暗物質與原始黑洞的關係開始受到質疑。阿里-海蒙德計算出，如果新生宇宙產生的黑洞足夠多，能夠解釋暗物質，那麼隨著時間的推移，這些黑洞將形成雙黑洞系統，彼此環繞並越來越近，其合併速度甚至比LIGO觀測到的合併事件高數千倍。他呼籲其他研究人員使用其他方式，繼續研究這個想法，但許多人失去了希望。卡米奧考斯基指出，阿里-海蒙德的論點是如此戳中要害，以至於他自己對這個假說的興趣都被澆滅了。

我們所知的黑洞。2015年之前，所有恆星大小的黑洞都是由射電望遠鏡發現的。這些黑洞的質量似乎都局限在20倍太陽質量以下。LIGO目前已經觀察到許多更大黑洞的合併事件。如果原始黑洞真的存在，那麼其中許多應該就屬於質量更大的範疇；餘下黑洞的質量則應該小於太陽。

然而現在，隨著最近一系列論文的發表，原始黑洞的觀點似乎又復活了。不久前，法國蒙彼利埃大學的宇宙學家卡爾斯頓·讓達齊克（Karsten Jedamzik）在《宇宙學和天體粒子物理學雜誌》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上發表了最新的研究報告，其中闡述了大量的原始黑洞會如何導致與LIGO觀測結果完全吻合的碰撞。「如果他的結果是正確的——看起來他做的是相當仔細的計算——那就將給我們的計算畫上休止符，」阿里-海蒙德說，「這將意味著它們實際上可能就是所有的暗物質。」他在後續的論文中也繼續對原始黑洞的觀點展開研究。

英國蘇塞克斯大學的宇宙學家克裡斯蒂安·伯恩斯（Christian Byrnes）表示，這一結果非常令人興奮，「他比以前任何人都走得更遠」。伯恩斯為讓達齊克的一些論點提供了幫助。

這一論點的最初想法可以追溯到20世紀70年代史蒂芬·霍金和伯納德·卡爾（Bernard Carr）的工作。他們推斷，在宇宙最初的幾分之一秒內，密度的微小波動可能會賦予某些區域過多的質量。每一個這樣的區域都會坍縮成黑洞，而黑洞的大小將由該區域的視界決定。所謂視界，便是以光速可到達的任何點周圍的空間。視界內的任何物質都會感受到黑洞的引力並墜入黑洞。霍金的粗略計算表明，如果黑洞的大小超過較小的小行星，那麼它們可能仍潛伏在今天的宇宙中。

20世紀90年代取得了更大的進展。那時，理論物理學家們還提出了宇宙暴脹理論，認為宇宙在大爆炸之後經歷了一次極端膨脹。暴脹理論可以解釋最初的密度漲落從何而來。在密度漲落的基礎上，物理學家們還考慮了一個沿著坍縮方向進行的關鍵躍遷。

宇宙剛形成時，其所有的物質和能量都在難以想像的高溫等離子體中沸騰。在最初的十萬分之一秒左右之後，宇宙冷卻了一些，等離子體中的鬆散夸克和膠子得以結合在一起，形成更重的粒子。當一些閃電般快速運動的粒子被束縛在一起時，壓力也隨之下降。這可能有助於更多的區域坍縮成黑洞。

但在20世紀90年代，沒有人對夸克和膠子流體的物理學有足夠的了解，因此無法準確預測這種轉變將如何影響黑洞的產生。理論物理學家還說不清楚原始黑洞的質量應該有多大，或者其數量應該有多少。

此外，宇宙學家似乎並不是真的需要原始黑洞。巡天調查對天空的一小塊區域進行了掃描，希望能找到大量像黑洞一樣稠密的暗物體漂浮在銀河系的外圍，但並沒有多少收穫。相反，大多數宇宙學家開始相信，暗物質是由極端「不合群」的大質量弱相互作用粒子（WIMP）組成的。這是一種仍然停留在理論階段的粒子，只通過弱核力和引力產生相互作用，基本上不與普通物質發生相互作用。專門建造的WIMP探測器，以及即將上線的大型強子對撞機或許將很快找到它們存在的確鑿證據。希望如此吧。

暗物質的問題看似即將取得突破，而且沒有觀察結果表明有其他選項，於是，原始黑洞在學術上就成了一潭死水。「一位資深宇宙學家似乎在嘲笑我研究這個，」讓達齊克說，「所以我停下了，因為我需要一個永久的職位。」他在這方面的研究興趣可以追溯到20世紀90年代。

當然，科學家在那之後的幾十年裡沒有發現WIMP，也沒有發現任何新的粒子（除了很久之前就預測存在的希格斯玻色子）。暗物質謎題的解答仍然遙遙無期。

然而，關於可能產生原始黑洞的環境，我們現在知道得更多了。物理學家已經可以計算出宇宙誕生之初的夸克-膠子等離子體如何演化出壓力和密度。伯恩斯表示，物理學界花了幾十年時間才取得了這些成果。利用這些信息，伯恩斯和馬德裡自治大學的胡安加西亞-伯利多（Juan García-Bellido）等理論物理學家，在過去幾年中發表了一系列論文，預測早期宇宙產生的黑洞可能不僅僅只有一種大小，而是有一系列不同的大小。

一開始，夸克和膠子結合在一起形成質子和中子。這導致了壓力下降，並可能產生了一組原始的黑洞。隨著宇宙持續冷卻，π介子等粒子形成，造成另一次壓力驟降和可能的黑洞爆炸。

在這兩個時期之間，空間本身也在膨脹。最初的黑洞可以從自身周圍的視界吸入大約相當於太陽質量的物質。第二輪則可能吸入大約30倍太陽質量的物質，就像LIGO第一次探測到的奇怪物體一樣。「引力波拯救了我們，」加西亞-伯利多說道。

▲LIGO探測器的一個幹涉臂位於美國路易斯安那州的利文斯頓

2016年，在LIGO團隊宣布了探測到第一個引力波後的幾周內，原始黑洞假說又復活了。但是第二年，阿里-海蒙德提出了他的觀點，認為原始黑洞會過於頻繁地碰撞，這給原始黑洞假說的支持者帶來了巨大的挑戰。

讓達齊克接受了挑戰。在哥斯大黎加的一次長假中，他對阿里-海蒙德的說法進行了仔細研究。阿里-海蒙德是通過方程進行分析的，但是當讓達齊克對同樣的問題進行數值模擬時，他發現了一個轉折。

原始黑洞確實會形成雙黑洞系統，但讓達齊克的結論是，在一個充滿黑洞的宇宙中，第三個黑洞通常會接近最初的一對黑洞，並與其中的一個黑洞交換位置。這一過程將一再重複。

隨著時間的推移，這種從一對黑洞到另一對黑洞的變換會使雙黑洞系統的軌道幾乎變成圓形。這些成對黑洞的碰撞速度會非常慢。即使存在大量的原始黑洞，其合併也不會如此地頻繁。這就使整個假設仍然符合LIGO觀測到的合併率。

2020年6月，讓達齊克在網上發表了自己的研究成果，回答了阿里-海蒙德等外界專家提出的問題。他說：「盡一切可能讓學術界相信，你不是在胡言亂語，這是非常重要的。」

他還預測，原始黑洞將位於暗星團中，後者的直徑大約相當於太陽和最近恆星之間的距離。每一個星團可能都包含了大約1000個擠在一起的黑洞。質量為30個太陽的巨型黑洞將位於中心；更普通的小一些的黑洞則填滿剩下的空間。這些星系團會潛伏在天文學家認為暗物質存在的任何地方。就像星系中的恆星，或者繞太陽旋轉的行星一樣，每個黑洞的軌道運動將阻止它吞噬另一個黑洞——除非發生一些不尋常的合併事件。

在第二篇論文中，讓達齊克精確計算了這些合併事件的罕見程度。他計算了LIGO觀測到的大黑洞和未觀測到的小黑洞（小黑洞會發出微弱而尖銳的信號，只有在離它很近的地方才能探測到）。「當然，當我一個接一個地得出合併率的正確數值時，我感到非常震驚，」讓達齊克說道。

原始黑洞假說的支持者們還有許多事情要做，才能更具有說服力。大多數物理學家仍然相信，暗物質是由某種基本粒子構成的，而這種粒子極其難以探測。此外，如果LIGO探測到的黑洞來自普通恆星，那麼它們與我們預期的黑洞並沒有太大不同。「這在某種程度上填補了理論中一個實際上並不存在的漏洞，」美國卡耐基梅隆大學的天體物理學家卡爾·羅德裡格斯（Carl Rodriguez）說，「一些LIGO光源有些奇怪的地方，但我們可以通過正常的恆星演化過程來解釋目前為止我們所看到的一切。」

哈佛大學的天體物理學家塞爾瑪•德•明克（Selma de Mink）則更為直言不諱，他說：「我認為天文學家對此可以一笑了之。」他曾提出恆星如何獨自形成LIGO所觀測到的大型雙黑洞系統的理論。

根據原始黑洞假說，發現一個亞太陽質量的黑洞應該是比較常見的，而且這種黑洞不能由恆星形成。如果這一觀點是正確的，那將會改變整個爭論。在未來的每一次觀測中，隨著LIGO靈敏度的提高，它最終要麼能發現這些小型的黑洞，要麼將對可能存在的黑洞數量設定嚴格的限制。「這個假說不同於弦理論，十年或三十年後，我們可能仍在討論弦理論是否正確，」伯恩斯說道。

與此同時，其他天體物理學家也在探索這個理論的不同方面。例如，也許對原始黑洞最強烈的限制來自微引力透鏡搜索。微引力透鏡是20世紀60年代就提出的概念，描述的是發生在恆星級天體中的引力透鏡現象，對這些現象的調查同樣開始於20世紀90年代。天文學家通過這些調查監測明亮但遙遠的光源，等待暗物體從它們前方經過。長期以來的研究排除了均勻分布的小型黑洞存在的可能性。

但加西亞-伯利多表示，如果原始黑洞以一系列大小不同的質量存在，如果它們被壓縮成密集的大質量星團，那以上這些結果可能就沒有研究人員想像的那麼重要。接下來的觀測或許能最終解決這個問題。歐洲空間局最近同意為美國國家航空航天局即將推出的羅曼太空望遠鏡（原名大視場紅外巡天望遠鏡）提供一項關鍵的額外功能，這將使它能夠進行突破性的微引力透鏡研究。

這項功能是在歐洲空間局科學主任岡瑟·哈辛格（Gunther Hasinger）的指令下推出的，他曾提出，原始黑洞可以解釋多個謎團。在哈辛格看來，這是個很吸引人的想法，因為沒有引入新的粒子或新的物理理論，而只是重新利用了舊元素。「我相信，也許有些懸而未決的謎題其實可以自己解決，只要你用不同的眼光看，」他說道。

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