原始黑洞(PBH)是在宇宙大爆炸后形成的天體，被許多研究人員認(rèn)為是解釋暗物質(zhì)本質(zhì)的主要候選者之一，尤其是在2016年處女座和LIGO探測(cè)器直接觀測(cè)到引力波之后。

現(xiàn)在發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上這項(xiàng)研究的主要作者里卡多·穆?tīng)栙Z(Riccardo Murgia)說(shuō)：我們已經(jīng)測(cè)試了一種場(chǎng)景，其中暗物質(zhì)由原始宇宙中形成的非恒星黑洞組成。這項(xiàng)研究是與SISSA-國(guó)際高級(jí)研究學(xué)院和INFN-Istituto Nazionale di Fisica Nucleare的Giulio Scelfo和Matteo Viel以及CERN的Alvise Raccanelli一起進(jìn)行。

歐洲核子研究中心（CERN）的Raccanelli說(shuō)：原始黑洞目前仍然是假設(shè)的天體，但它們是在原始宇宙的一些模型中所設(shè)想。最初由史蒂芬·霍金于1971年提出，近年來(lái)它們又重新成為解釋暗物質(zhì)的可能候選者。人們相信暗物質(zhì)約占宇宙中所有物質(zhì)的80%，所以即使只解釋其中的一小部分也是一項(xiàng)重大成就。尋找原始黑洞存在的證據(jù)，或排除它們的存在，也為我們提供了關(guān)于原始宇宙物理學(xué)的相當(dāng)相關(guān)的信息。

宇宙森林和宇宙網(wǎng)

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們專(zhuān)注于原始黑洞的豐度，這些原始黑洞質(zhì)量是太陽(yáng)的50倍。簡(jiǎn)而言之，研究人員試圖通過(guò)分析極遠(yuǎn)類(lèi)星體發(fā)出的光與宇宙網(wǎng)的相互作用，更好地描述與它們存在相關(guān)的幾個(gè)參數(shù)(特別是質(zhì)量和豐度)，宇宙網(wǎng)是由存在于整個(gè)宇宙中的氣體和暗物質(zhì)組成的長(zhǎng)絲網(wǎng)絡(luò)。在這種密集的編織中，學(xué)者們專(zhuān)注于所謂的萊曼-阿爾法森林，即光子與宇宙長(zhǎng)絲中氫的相互作用，這種相互作用呈現(xiàn)出與暗物質(zhì)基本性質(zhì)密切相關(guān)的特征。

使用SISSA和ICTP尤利西斯超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的模擬已經(jīng)能夠再現(xiàn)光子和氫之間的相互作用。這些模型已經(jīng)與夏威夷凱克望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的真實(shí)相互作用進(jìn)行了比較。研究人員隨后能夠追蹤原始黑洞的幾種性質(zhì)，以了解它們存在的影響。用計(jì)算機(jī)模擬了亞星系尺度上中性氫的分布，以遠(yuǎn)距離源光譜中吸收線(xiàn)的形式表現(xiàn)出來(lái)。將模擬結(jié)果與觀察到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，有可能確定原始黑洞的質(zhì)量和豐度界限，并確定這些候選者是否構(gòu)成暗物質(zhì)以及在何種程度上構(gòu)成暗物質(zhì)。

這項(xiàng)研究的結(jié)果似乎不利于這樣一種情況，即所有的暗物質(zhì)都是由某種類(lèi)型的原始黑洞(質(zhì)量大于太陽(yáng)50倍的黑洞)組成，但它們并沒(méi)有完全排除它們可能構(gòu)成它的一小部分。研究開(kāi)發(fā)了一種新方法，可以輕松有效地探索標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的替代方案，根據(jù)該方案，暗物質(zhì)將由弱相互作用的大質(zhì)量粒子(WIMP)組成。這些結(jié)果對(duì)于構(gòu)建新的理論模型和發(fā)展關(guān)于暗物質(zhì)本質(zhì)的新假設(shè)非常重要，為追蹤理解宇宙最大奧秘之一的復(fù)雜路徑提供了更精確指示。

博科園｜研究/來(lái)自：國(guó)際高等研究學(xué)院（SISSA）

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.071102

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