從我是斜杠青年，一個熱愛自然科學的“雜食性”學者！

一開始的原始黑洞能解釋宇宙中神秘的缺失質(zhì)量“暗物質(zhì)”嗎？

宇宙一開始是一種奇怪的湯。大星系尚未形成，飛行粒子比當今宇宙中的恒星中心還要熱。其中，被稱為夸克的微小粒子聚集在一起，形成原子的基石：中子、質(zhì)子和電子。通過一個被稱為宇宙膨脹的過程，宇宙像氣球一樣膨脹，平滑了團塊。

可能是宇宙中缺失的物質(zhì)——被物理學家稱為暗物質(zhì)——當時也形成了。暗物質(zhì)是天文學臭名昭著的謎團之一。在過去的一個世紀里，越來越多的證據(jù)表明，除了構(gòu)成我們桌子、地球甚至我們自己的東西外，一定還有一些東西。20世紀70年代，天文學家維拉·魯賓提出了一個早期的暗示，她表明，星系邊緣的恒星旋轉(zhuǎn)速度比我們通過望遠鏡看到的質(zhì)量預期的要快。那里必須有其他重物，施加足夠的重力使星系旋轉(zhuǎn)。自20世紀80年代以來，天文學家一直同意：在我們的觀測中，暗物質(zhì)必須存在來解釋“缺失的質(zhì)量”，但我們看不到它，因為它沒有以典型的方式與光相互作用。我們目前的最佳估計表明，宇宙中暗物質(zhì)的量應該是“正則”物質(zhì)的五倍左右。事實上，我們在日常生活中互動的所有東西都占宇宙中物質(zhì)的不到5%。

羅德島州布朗大學的理論物理學家和博士候選人利亞·詹克斯表示：“暗物質(zhì)占宇宙的25%，我們不知道它是什么！”

“因此，從這個意義上說，這是該領(lǐng)域一個非常重要的開放式問題。我認為這也是一個有趣的問題，因為在試圖想出新的方法來理解這個神秘的缺失的事情時，有很多創(chuàng)造力的空間。

到目前為止，我們有很多想法，但幾乎沒有證據(jù)可以證實其中任何想法。物理學家花了很多時間尋找新的粒子來解釋缺失的質(zhì)量。最受歡迎的候選者之一，即稱為WIMP的大粒子集合，或相互作用弱的大質(zhì)量粒子，最近已經(jīng)失寵，因為實驗無法找到證據(jù)。盡管使用粒子加速器、大型地下粒子檢測室和其他實驗進行研究，但宇宙沒有給我們?nèi)魏污E象表明暗物質(zhì)是這些難以捉摸的粒子之一。這導致科學家尋找其他極小的粒子，這些粒子受到奇怪的量子現(xiàn)象（稱為“模糊暗物質(zhì)”）的影響，甚至改變了我們所知道的物理學基本定律（一種經(jīng)常回避的被稱為“蒙德”的理論）。

但由于缺乏任何這些想法的證據(jù)，出現(xiàn)了一個黑馬理論。在宇宙的前幾秒鐘，原始湯中可能還有另一種成分：黑洞。這些從一開始就被稱為原始黑洞（PBHs）的黑洞，今天可能仍然潛伏著——一些科學家認為它們可以解決暗物質(zhì)問題。

黑洞通常由最大恒星的死亡形成，其中恒星的所有質(zhì)量都會坍縮到一個極其密集的點。他們的引力是如此之大，以至于任何東西，即使是光，都無法逃脫。但在宇宙的第一秒，恒星還不存在——那么當時黑洞怎么可能形成呢？計算表明，從宇宙湯的稠密部分來看，這很容易。加州大學洛杉磯分校物理學教授Alexander Kusenko表示：基本配方是“從早期宇宙中拿一勺，擠壓30%”。

Kusenko和其他一些人認為，原始黑洞現(xiàn)在是我們擁有的最有希望的暗物質(zhì)候選者。PBH的真正吸引力在于它們的簡單性——與需要理論描述新粒子的其他暗物質(zhì)選項不同，我們已經(jīng)有證據(jù)表明黑洞是真實的。

然而，原始黑洞不是一個特別新的想法。他們的故事始于20世紀60年代的俄羅斯，當時兩位物理學家——雅科夫·澤爾多維奇和伊戈爾·諾維科夫——首先考慮了在早期宇宙中形成黑洞等極其密集物體的可能性。他們的計算表明，這些稠密區(qū)域會增長得太快，并用強烈的輻射加熱早期宇宙，這與我們所知道的真實宇宙的觀測明顯沖突。

但在20世紀70年代，英國物理學家斯蒂芬·霍金和他的研究生伯納德·卡爾開始更深入地觀察。他們一起寫了第一篇論文，表明原始黑洞畢竟可能是一種真正的可能性，找到了解決失控生長問題的方法。倫敦瑪麗女王大學數(shù)學和天文學名譽教授卡爾曾表示：“這就是再次將原始黑洞放在地圖上的原因，因為沒有理由相信它們不可能存在?！?/p>

不久之后，霍金發(fā)現(xiàn)了所謂的霍金輻射，這使黑洞慢慢蒸發(fā)。對于更大的恒星大小的黑洞來說，它們蒸發(fā)的時間太長了，不引人注目——比宇宙存在的時間要長。然而，對于小型PBH，我們可能會看到它。數(shù)十億年前宇宙開始時形成的一座山的質(zhì)量和質(zhì)子大小的黑洞應該會顯示出它生命的爆炸性終結(jié)。

自20世紀70年代卡爾和霍金的原始理論以來，人們提出了許多關(guān)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場景。在這個很久以前的時代，嬰兒宇宙非常熱，充滿了高能粒子和光，其行為與我們今天所熟悉的完全不同。制作原始黑洞的關(guān)鍵是以某種方式使炎熱的早期宇宙的一小部分稍微密集一些，這樣它就可以坍塌成黑洞。

事實證明，早期宇宙的一部分有很多方式可能會變得格外密集。最簡單的可能性是這里和那里的腫塊暴露了“原始不均勻性”。這與宇宙微波背景（CMB）中看到的波動沒有太大不同，宇宙微波背景是我們在大爆炸數(shù)十萬年后宇宙變得透明的瞬間看到的微弱輻射。CMB出現(xiàn)在我們可以指向望遠鏡的每個方向，但有一些微小的波動，只有我們最精確的儀器才能發(fā)現(xiàn)。這些波動本質(zhì)上是隨機的，這是粒子在早期宇宙中移動的統(tǒng)計性質(zhì)的結(jié)果。另一種可能性是，宇宙膨脹，即早期宇宙形成后不久迅速擴張的過程，造成了更多的密度波動，然后可能繼續(xù)成為黑洞。

Carr目前正在研究的一個模型提出，原始黑洞是在QCD過渡時期形成的，在大爆炸后絕對微不足道的10萬秒。QCD代表量子色動力學，這是理論物理學的一個分支，涉及粒子如何通過強核力相互作用，強核力將原子核結(jié)合在一起。因此，QCD的轉(zhuǎn)變是當宇宙從夸克和膠子湯（質(zhì)子和中子的成分，以及將它們結(jié)合在一起的膠水）轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆纬傻馁|(zhì)子和中子湯。在宇宙歷史上的這個獨特時刻，制作PBH會更容易。你不必擠出一勺宇宙，因為它很難崩潰。

另一方面，Kusenko正在研究一個模型，該模型只添加了一個新的物理位——一種被稱為“Yukawa力”的粒子之間的新型相互作用——以擠壓足夠的物質(zhì)，形成適量的原始黑洞來解釋暗物質(zhì)。添加新的物理學絕非史無前例。事實上，這實際上是該領(lǐng)域理論物理學家的工作。

原始黑洞可以蠕動進入中子星的中心，吞噬整個中子星

許多其他模型依賴于物理學中一些最奇妙的想法。一種理論認為，宇宙弦——早期宇宙結(jié)構(gòu)上的裂縫——有時可能會相互循環(huán)，形成黑洞。另一種理論提出，來自多元宇宙的“嬰兒宇宙”可以在我們自己的宇宙中以原始黑洞的形式出現(xiàn)。如果所有這些現(xiàn)象都發(fā)生了，但在宇宙的最初幾秒鐘里，時間略有不同，結(jié)果將是不同大小的原始黑洞。

幾十年來，少數(shù)物理學家一直在考慮這些理論和其他理論，重點是如果它們變得真實，它們將如何影響早期宇宙。事實上，由于原始黑洞會產(chǎn)生如此巨大的影響，物理學家已經(jīng)想出了許多方法來證明或反駁它們是真實的。

霍金輻射立即將最小的PBH排除為暗物質(zhì)候選物，因為它們的壽命不足以維持到現(xiàn)在。另一方面，質(zhì)子大小的黑洞可以存活到今天，但隨后會爆炸性地蒸發(fā)——我們只是沒有看到這樣的東西，所以它們也被排除在外。即使原始黑洞沒有從霍金輻射中發(fā)光，它們也會在吞噬物質(zhì)時發(fā)出光，加熱周圍的區(qū)域。通過查看宇宙溫度的歷史，科學家可以為原始黑洞設(shè)定另一個限制。

在我們的現(xiàn)代宇宙中，星系中的PBH可能會隨機飛行，以重力擾亂恒星的軌道，并以我們可以觀察到的方式將它們推得有點不合時宜?？茖W家還預測，一些PBH將沉淀到銀河系中心，就像沙子落入漏斗一樣。測量銀河系中心的質(zhì)量可以告訴我們潛伏在那里的最大PBH量。

然而，原始黑洞與物質(zhì)相互作用的最戲劇性方式之一是與宇宙中的其他物體（如恒星和行星）碰撞。原始黑洞可以蠕動進入中子星的中心，中子星是來自死大質(zhì)量恒星核心的致密殘留物。一旦他們最終到達中心，他們就會迅速從內(nèi)部吞噬整個中子星，在被稱為千新星的壯觀閃光中摧毀它。這一暴力事件還留下了中子的飛濺，以及鉑和鈾等重元素。兩顆中子星碰撞也可以形成千新星，盡管這會引發(fā)引力波——時空本身結(jié)構(gòu)的波動——因此，找到一個沒有引力波伴隨它的千核可以證明原始黑洞在起作用。

他們檢測到的黑洞比你想象的恒星死亡還要大

有很多可能性，有些，如中子星場景，是古怪的。但兩種方法可以幫助我們克服不確定性，找到更多原始黑洞的具體證據(jù)。跟蹤原始黑洞的一種固體方法是微透鏡，當來自明亮物體的光線經(jīng)過質(zhì)量很大的物體時，就會發(fā)生微透鏡。大質(zhì)量物體以其引力彎曲時空，由于光遵循電阻最小的路徑，來自明亮物體的光也會彎曲。即使大質(zhì)量物體沒有發(fā)光，就像黑洞一樣，你仍然可以測量它對發(fā)光的東西的影響。三個被稱為MACHO、EROS和OGLE的實驗對天空進行了調(diào)查，尋找這種天體透鏡，其中一些可能來自原始黑洞。這些觀察使科學家非常相信，某些尺寸的PBH并不存在。

另一種檢測原始黑洞的方法使用當大質(zhì)量物體（如黑洞）破壞時空時產(chǎn)生的引力波。在開創(chuàng)性的激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）于2015年打開探測器不到一年后，物理學家檢測到來自兩個黑洞的引力波——每個黑洞大約比我們的太陽大30倍——螺旋進入并相互融合。從那時起，他們發(fā)現(xiàn)了更多的黑洞合并，開辟了大量的新問題。

他們檢測到的黑洞比你從恒星的死亡中預期的要大，這讓科學家感到驚訝。大多數(shù)人仍然認為，這些較大的黑洞來自隨著時間的推移聚集在一起的多個普通的星型黑洞。但是，根據(jù)Carr的說法，幾組科學家認為，這些大黑洞可以是原始黑洞，可以自然形成這種大小的黑洞。

雖然科學家無法就附近的黑洞合并是來自恒星還是原始黑洞達成一致，但找到足夠遠的黑洞合并的證據(jù)將使天平向原始黑洞傾斜。由于光的傳播是恒定的，當我們在宇宙中遙遠地看時，我們也在回顧時間。四光年之外的恒星實際上在過去四年里被看到，因為這就是我們看到的光到達我們的時間。引力波也不能比光傳播得更快——因此，如果我們看到黑洞合并如此之遙遠，以至于它來自恒星形成之前，那一定是原始黑洞的合并。

我們可以用引力波再進行一次觀察，這肯定會成為原始黑洞的證據(jù)：找到一個太陽大小的黑洞。恒星不能產(chǎn)生這么小的黑洞，所以它必須來自早期的宇宙。

這讓我們回到了我們最初的問題——如果原始黑洞確實存在，它們能解決暗物質(zhì)問題嗎？基于霍金輻射和微透鏡的研究排除了相當多尺寸的原始黑洞，但不是全部。有三（或四）質(zhì)量的原始黑洞可以存在，并與當前的觀測結(jié)果很好地配合，甚至可以解釋暗物質(zhì)的奧秘，這取決于你問誰。

Carr認為，可能存在四大質(zhì)量的原始黑洞：小行星大小、月球大?。s地球質(zhì)量的約十分之一）、太陽大小和令人難以置信的巨大（質(zhì)量是太陽質(zhì)量的十億倍以上）。雖然巨大的原始黑洞很有趣，可以解釋我們在引力波中看到的內(nèi)容，但它們并不是暗物質(zhì)的真正候選者。關(guān)于太陽大小的是否可能，也存在相當多的爭議。這使得小行星到月球大小的PBH成為解釋暗物質(zhì)的唯一被接受的選擇。

即便如此，相當多的科學家對原始黑洞持懷疑態(tài)度，這些黑洞有時被視為瘋狂的邊緣想法。Kusenko認為：“健康的懷疑論是科學話語中一個受歡迎和必要的部分。”“所以，如果這些人的懷疑是基于一些合乎邏輯的論點，他會很高興?！?/p>

然而，就連他也同意，原始黑洞作為暗物質(zhì)存在一些缺點。這些小黑洞很難檢測到，鑒于目前的限制，原始黑洞不太可能構(gòu)成所有暗物質(zhì)。

更多的星系可能是原始黑洞在周圍的跡象，幫助他們開始

不過，如果它們不必都是暗物質(zhì)呢？一個獲得牽引力的新想法是，暗物質(zhì)可能是不同事物的集合——我們剛剛開始調(diào)查的整個“黑暗領(lǐng)域”?！叭绻挥幸粋€真正的暗物質(zhì)，那么任何無法構(gòu)成宇宙中全部暗物質(zhì)部分的候選者都是不令人滿意的?？的腋裰菀敶髮W物理學博士候選人Luna Zagorac表示：PBH可以完全排除，“但是，如果它可以構(gòu)成該部分的任何部分，那么就更難排除任何事情[WIMP、模糊的暗物質(zhì)、其他候選人都可能是組合的一部分]。”

因此，即使原始黑洞無法解釋所有的暗物質(zhì)，它們肯定從一開始就對宇宙產(chǎn)生有趣的影響。除了形成暗物質(zhì)外，科學家認為巨大的原始黑洞可以幫助解釋星系中心最大的黑洞——比如射手座A*，最近由事件地平線望遠鏡拍攝的——是如何開始的。

此外，不斷改進技術(shù)應該有助于我們調(diào)查原始黑洞。例如，南非的平方公里陣列（SKA）望遠鏡應該能夠?qū)Ρ环Q為脈沖星的快速旋轉(zhuǎn)的死恒星進行新的測量。脈沖星就像燈塔，在旋轉(zhuǎn)時會發(fā)射巨大的物質(zhì)流向我們閃爍，并使其看起來像是周期性閃爍。在脈沖星和地球之間移動的原始黑洞可以彎曲光線，并如此微小地改變脈沖星眨眼的周期——我們可以觀察到這種影響。

使用光學望遠鏡進行的新觀測也應該能夠通過微透鏡探測較小的原始黑洞。Kusenko和合作者，如日本Kavli宇宙物理和數(shù)學研究所的物理學家Misao Sasaki，正在夏威夷用斯巴魯望遠鏡的Hyper Suprime-Cam尋找小黑洞。當一個小的原始黑洞經(jīng)過我們最近的恒星仙女座星系前面時，他們應該能夠發(fā)現(xiàn)星光是如何圍繞PBH彎曲的。新發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡也應該有助于發(fā)現(xiàn)PBH的跡象——它將比以往任何時候都更深入地窺視宇宙的過去，最終打開一扇窗口來觀察第一批星系。如果星系或星系比預期的要多，這可能是原始黑洞存在的跡象，有助于星系開始。

然而，可以說，發(fā)現(xiàn)黑洞最令人興奮的前景是引力波。引力波探測器可以找到古老的黑洞合并，比太陽小的黑洞，甚至發(fā)現(xiàn)黑洞首次形成時在宇宙存在第一秒的原始湯中的特征。當PBH在宇宙之初崩潰時，它們會震撼時空——導致被稱為隨機引力波背景的引力波模糊噪聲。我們目前的引力波探測器都在地球上——美國的LIGO、日本的KAGRA和歐洲的VIRGO——但地平線上還有更多的下一代儀器，其中一些將在太空中。每個LISA、TAIJI和DEIGO任務都是一組三艘航天器，它們將以三角形方式繞太陽運行，探測出比我們在地球上所能觀察到的不同類型的引力波。在未來幾十年里，這些新的探測器最終可以發(fā)現(xiàn)原始黑洞的明確跡象。如果科學家檢測到這些令人興奮的物體，那么我們終于可以解決至少部分暗物質(zhì)之謎。

暗物質(zhì)的候選者多種多樣，正在做出許多努力來檢測它們。“所以，任何人都可以在任何時候發(fā)現(xiàn)什么是暗物質(zhì)（也許在不久的將來）?！?/p>

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