Joshua Sokol作者Panda、张倩编辑

暗物质可能并非难以观测的粒子,而是诞生自宇宙大爆炸的原初黑洞

斯蒂芬 · 霍金曾有一个想法:看不见的「原初黑洞」可能是隐藏着的暗物质。这个想法几十年来一直不受关注,但一系列新研究表明,这个理论可能是有效的。

原初黑洞可能成堆聚集,距离遥远地分散在整个宇宙中。相对较大的黑洞周围环绕着比它们小得多的黑洞。

黑洞就像鲨鱼。大众的想象给予了它们过分的优雅、简洁和恐怖,觉得它们有可能就潜伏在我们周围那些黑暗之处。

黑洞固有的黑暗属性使我们难以估计它们在宇宙中的数量以及大小。因此,当 2015 年 9 月激光干涉引力波天文台(LIGO)的探测器第一次捕捉到涌过的引力波时,人类收获了一个巨大的惊喜。在那之前,已知的最大黑洞的质量大约刚超过太阳质量的 20 倍。而这些新观测到的黑洞的质量每个都约为太阳的 30 倍——这倒不是超乎想象,但却很奇怪。此外,当 LIGO 开始听到这些黑洞的融合之声时,天体物理学家意识到宇宙中潜伏的黑洞肯定比他们之前预想的多。也许要多很多。

这些新发现的样本让一个旧的想法焕发了新的生机,尽管这个想法在过去许多年里都被忽视了。我们知道,大恒星死亡的时候会产生黑洞。但宇宙大爆炸本身也可能会诞生黑洞。根据宇宙规模的经验法则可以想到,许多这样隐藏起来的原初黑洞是由暗物质构成的。毕竟虽然科学家已经找了几十年,但到现在也没找到任何暗物质粒子。要是黑洞这个我们所需的配方就在我们眼皮子底下呢?

「是的,这个想法很疯狂。」约翰斯 · 霍普金斯大学的宇宙学家 Marc Kamionkowski 说,其研究团队曾在 2016 年发布了一篇吸引眼球的论文,对这一可能性进行了探索。「但不一定比其它任何事情更疯狂。」

已知黑洞的质量图表

不过,对原初黑洞的这方面思考在 2017 年遭遇了挫折。那时候,之前对这一思路持乐观态度的纽约大学天体物理学家 Yacine Ali-Haïmoud 发表了一篇论文,说明了这种类型的黑洞应该会对 LIGO 的检测率产生怎样的影响。他计算发现,如果婴儿宇宙产生了足够多由暗物质构成的黑洞,那么随着时间的推移,这些黑洞将变得以两两成对的形式彼此环绕,越来越近,然后融合,这应该会让 LIGO 的检测率高出现在实际情况的数千倍。虽然他也恳请其他研究者使用其它方法继续研究这一思路,但很多人都失去了希望。Ali-Haïmoud 的论证是如此言之凿凿,甚至让 Kamionkowski 本人对这一假设的兴趣都遭受重创。

但峰回路转,在近期的一波论文之后,原初黑洞思想似乎再次焕发青春。在近期发表于《Journal of Cosmology and Astroparticle Physics》的一篇论文中,蒙彼利埃大学宇宙学家 Karsten Jedamzik 研究表明大量原初黑洞的碰撞模式可以与 LIGO 的观测结果完美匹配。「如果他的计算是正确的——而且看起来他的计算很仔细——那就能为我自己的计算的棺材板钉上最后一颗钉子。」Ali-Haïmoud 说,他也在自己的后续论文中继续探索原初黑洞的思想。「这就意味着事实上这些黑洞可能全由暗物质构成。」

「这个结果激动人心。」帮助启发了 Jedamzik 的一些论证的萨塞克斯大学宇宙学家 Christian Byrnes 说,「他走得比之前任何人都远。」

这一思想最早可以追溯到 1970 年代斯蒂芬 · 霍金和伯纳德 · 卡尔的研究工作。霍金和卡尔推断,在宇宙最初的几分之一秒内,密度的微小波动会让一些幸运——或不幸——的区域拥有太多质量。每个这样的区域都会坍缩为一个黑洞。黑洞的大小由该区域的视界表示。视界之内的任何物质都会陷入黑洞的引力并被吸入其中。霍金进行过粗略的计算,结果表明:如果这些黑洞大于小行星,那么它们今天可能依然潜伏于宇宙之中。

1990 年代出现了更多进展。那时候,理论研究者已经有了宇宙膨胀理论,该理论认为宇宙在大爆炸之后经历了一次暴涨。膨胀可以解释宇宙的初始密度波动从何而来。

除了这些密度波动,物理学家还考虑了可能诱使坍缩发生的关键过渡阶段。

在宇宙诞生之时,其所有物质和能量都以一种不可思议的高热等离子体的形式存在。在大约前百分之一到千分之一秒的时间后,宇宙冷却了一些,这些等离子体开始释放夸克和胶子,而它们可以结合成更重的粒子。当一些光速运动的粒子被束缚到一起之后,压力下降了。这可能会让更多区域坍缩为黑洞。

但在 1990 年代时,还没人充分理解夸克和胶子的物理特性,也就难以准确预测这样的过渡阶段会如何影响黑洞的形成。理论研究者无法说明大型原初黑洞应该是怎样的,也无法估计其数量。

此外,宇宙学家似乎并不真正需要原初黑洞。天文观测希望通过扫描天空来在银河系外围找到一片高密度的隐藏天体之海,其中也许有黑洞之类的天体,但最后并没找到多少。相反,大部分宇宙学家开始相信暗物质是由一种名为 WIMP(大质量弱相互作用粒子)的难以观测的粒子构成的。而且希望还有爆发的趋势,那时候人们相信不管是专门构建的 WIMP 探测器,还是即将建好的大型强子对撞机,都将找到它们存在的确凿证据。

由于暗物质问题似乎将会得到解答,又没有其它观察表明其它可能性,原初黑洞的学术研究变成了一潭死水。「因为研究这个课题,一位资深宇宙学家还多多少少奚落了我一番。」Jedamzik 回顾 1990 年代时说,「所以我停了下来,因为那时我需要一个终身职位。」

当然,自那以后几十年过去了,我们还没找到任何 WIMP,更别说什么新粒子了(希格斯玻色子早就被预测存在)。暗物质依然藏于暗中。

不过现在我们知道更多了,也知道原初黑洞确实可能存在。物理学家现在可以计算宇宙之初夸克 - 胶子等离子体的压力和密度的演变过程。Byrnes 说:「科学界真的用了几十年时间来搞清楚这一点。」有了这样的信息,Byrnes 和马德里自治大学 Juan García-Bellido 等理论研究者过去几年里发表了多篇研究,预测说早期宇宙不只会产生一种规模的黑洞,而是会产生在一定规模范围内的黑洞。

首先,夸克和胶子会组合成质子和中子。这会导致压力下降并可能催生一组原初黑洞。随着宇宙不断冷却,π介子等粒子会形成,进而导致又一轮压力下降和黑洞爆发式诞生。

在这些不同的时代之间,空间本身也在扩张。最早一批黑洞可以吸收其周围视界内一个太阳质量的物质。第二批黑洞也许能吸收大约 30 倍太阳质量的物质——就像 LIGO 首次观测到的黑洞那么大。「引力波救了我们。」García-Bellido 说。

在 LIGO 于 2016 年宣布第一个引力波发现后的几周时间里,原初黑洞假设重获新生。但在其后一年,Ali-Haïmoud 得出了他的论证:原初黑洞可能会过于频繁地相撞,这为这一假设的支持者带来了一个需要克服的重大障碍。

Jedamzik 接受了挑战。在哥斯达黎加休长假时,他开始研究 Ali-Haïmoud 的论证。Ali-Haïmoud 的研究是使用方程通过分析方法完成的。但当 Jedamzik 为同一问题创建数值模拟时,他发现了一个转机。

原初黑洞确实会两两成对。但 Jedamzik 得出结论:在一个满是黑洞的宇宙中,常会有第三个黑洞靠近初始黑洞对并与其中一个交换位置。这个过程会不断重复。

随着时间的推移,这种不断交换的模式会让成对的两个黑洞几乎总是处于圆形轨道上。这些成对黑洞的碰撞将会发生得非常慢。即便原初黑洞有很多,它们也不会频繁地融合,因此原初黑洞假设仍然与 LIGO 观察到的融合率相符。

位于路易斯安那州利文斯顿的一条 LIGO 探测臂。

他在今年 6 月在网上发布了自己的研究成果,并回答了 Ali-Haïmoud 本人等外部专家的问题。「尽可能地说服社区是非常重要的,要让他们相信你不是胡说八道。」Jedamzik 说。

他还有另一项研究,预测说原初黑洞会聚集成暗星团,其直径可达太阳与最近恒星的距离。每个星团都可能包含大约 1000 个挤在一起的黑洞。30 倍太阳质量的庞然大物位于这个星团的中心,更一般的小黑洞则填充在其它空间。天文学家认为这些星团可能潜伏在暗物质的所在之处。正如银河系中的恒星以及围绕太阳的行星一样,每个黑洞的轨道运动能避免黑洞之间互相吞并——因此仅有少量罕见的黑洞融合事件。

在第二篇论文中,Jedamzik 计算了这些融合事件究竟有多罕见。他为 LIGO 已经观测到的大黑洞做了计算,但还没计算更小的黑洞。(小黑洞会产生微弱的尖锐的信号,必须较近才能观测到。)他说:「当然,我很惊讶地发现我能得到一个又一个正确的结果。」

原初黑洞假设的支持者仍有很多说服工作要做。大部分物理学家仍然相信暗物质是由某种基本粒子构成的,但我们却难以检测到它们。另外,如果 LIGO 检测到的黑洞来自普通的恒星,那么结果也不会有太大的差异。「这就像填补了一个并不存在的理论空白。」卡内基梅隆大学天体物理学家 Carl Rodriguez 说,「LIGO 的观测数据是有些奇怪之处,但我们目前能够通过普通的恒星演化过程解释我们目前所看到的一切。」

哈佛大学天体物理学家 Selma de Mink(她拟出了仅靠恒星产生 LIGO 所观测到的重量级黑洞对的理论)更是直言不讳:「我认为天文学家可以嘲笑它了。」

要改变当前辩论的局势,只需找到一个低于太阳质量且不是由恒星产生的黑洞(根据原初黑洞理论,这种黑洞应该很常见)。随着后续观测的进行,LIGO 的灵敏度也将提升,这让其最终要么能找到这样的小黑洞,要么就能得到黑洞数量的严格限制。「这个故事不像弦理论这样的故事——十年或三十年过去了我们可能还在讨论它是否正确。」Byrnes 说。

与此同时,其他一些天体物理学家则在探索该理论的不同方面。举个例子,对原初黑洞的最强约束可能来自微透镜搜索——这些调查同样始于 1990 年代。在这些工作中,天文学家会监测明亮但遥远的光源,等待观察是否有黑暗天体从它们之前经过。这些搜索之前就已经排除了均匀分布的小黑洞的存在。

García-Bellido 说,但如果原初黑洞的质量分布范围很大,而且会聚集成密集的大规模星团,那么这些监测结果就没有研究者之前认为的那样重要。

未来的观测结果可能最终能让这个问题尘埃落定。欧洲空间局(ESA)近期已经同意为 NASA 未来将发射的南希 · 格蕾丝 · 罗曼空间望远镜添加一个重要新功能,使其能进行前所未有的微透镜研究。

这是 ESA 科学总监 Günther Hasinger 的要求,他提出原初黑洞可以解开多个谜团。在 Hasinger 看来,这个想法很吸引人,因为它不涉及新的粒子或新的物理理论。它只使用了已有的元素。

他说:「我相信当你用不同的眼光来看时,目前的一些难题实际上可以自行解决。」

原文链接:
https://www.quantamagazine.org/black-holes-from-the-big-bang-could-be-the-dark-matter-20200923/
入门斯蒂芬·霍金黑洞
暂无评论
暂无评论~