宇宙大爆炸遗留下来的微小黑洞可能是主要的暗物质嫌疑人

December2017

一幅插图显示了一团微小的原始黑洞，这可能是暗物质的原因。（图片来源：Robert Lea（与Canva共同创作））

据美国太空网（Robert Lea）：当原始黑洞被怀疑为暗物质时，它们的不在场证明可能会分崩离析。在宇宙诞生几秒钟后产生的微小黑洞可能比预期的存活时间更长，这再次引发了人们的怀疑，即原始黑洞可能是宇宙中最神秘的物质暗物质的原因。

暗物质目前是物理学中最紧迫的问题之一。这是因为，尽管暗物质估计占宇宙物质的85%，但它实际上对我们的眼睛来说是看不见的，因为它不与光相互作用。

因为组成我们所能看到的“日常”物质的原子的粒子，如恒星、行星和我们自己的身体，显然与光相互作用，这促使人们在粒子物理标准模型之外寻找暗物质粒子。许多科学家认为，答案仍然可能在标准模型中，然而，如果我们考虑一个我们通常认为质量巨大甚至可怕的宇宙物体的小近亲：黑洞。

马克斯·普朗克研究所科学家Valentin Thoss和里斯本大学的Ana Fernandes Alexandre是最近参与此类研究的两名研究人员。他们假设，138亿年前大爆炸后诞生的小黑洞，不比质子大，可以聚集在一起成为暗物质的嫌疑人，而不需要新的物理学。

最近，人们对黑洞如何“蒸发”的想法发生了变化，这不仅促使人们重新评估了原始黑洞的生存能力，正如暗物质所怀疑的那样，而且随着对暗物质粒子的探索仍处于空白，更多的研究人员可能会开始更认真地研究原始黑洞暗物质理论。

什么是原始黑洞？

“顾名思义，‘原始黑洞’是一种在宇宙开始时形成的黑洞，”Thoss告诉Space.com。“事实上，在宇宙的前几分之一秒内。”

他解释说，我们在宇宙中观察到的所有结构，从星系的超星系团到星系本身，都是由早期宇宙中存在的空间中的轻微超密度形成的。如果早期宇宙经历了比创造这些特征的宇宙更强的密度波动，并且这些波动在星系真正形成的更早的时间崩溃，那么这些过于密集的斑块可能会刺激原始黑洞。

Thoss补充道，根据这次坍塌可能发生的时间以及坍塌的规模，这些原始黑洞的质量会非常不同。Thoss和Fernandes Alexandre认为可能的暗物质候选者的原始黑洞的质量范围在几吨到一千吨之间，具体来说，这小于行星的质量，更属于小小行星的质量。



显示宇宙膨胀历史的图表。在第一颗恒星出现之前，原始黑洞就已经从密度波动中出现了。（图片来源：NASA/WMAP科学团队/Dana Berry的艺术作品）

考虑到科学家迄今为止发现的最小黑洞，即恒星质量黑洞，其质量相当于太阳的3到50倍——太阳本身是27（22后面跟着26个零）吨的2.2倍10的幂——这些原始黑洞非常小。

费尔南德斯-亚历山大表示，与大质量恒星坍塌或相对较小的黑洞合并形成的较大黑洞一样，原始黑洞也会有一个被称为视界的光捕获外部边界。这个视界的直径由黑洞的质量决定，这意味着在这种情况下，视界会非常小。费尔南德斯-亚历山大说：“比质子的半径还小。”。



黑洞的解剖结构。无论大小，所有黑洞都有视界。（图片来源：ESO）

小的原始黑洞以前被排除为暗物质候选者，因为所有黑洞都被认为“泄漏”了一种热辐射，这种热辐射最早由斯蒂芬·霍金于1974年提出理论，后来被命名为“霍金辐射”

黑洞越小，泄漏霍金辐射的速度就越快，因此蒸发的速度也就越快。这意味着，如果原始黑洞曾经存在，那么最小的例子就不应该出现在今天——然而，暗物质显然存在。

Thoss说：“Ana和我现在认为质量的原始黑洞以前基本上被排除在外，因为人们认为它们在宇宙中已经完全蒸发了。”。

慕尼黑大学的理论物理学家Giorgi Dvali与Thoss和Fernandes Alexandre合作，最近的研究表明，蒸发过程在某个时刻会分解。这意味着科学家们认为质量的原始黑洞可以达到半稳定状态。

费尔南德斯-亚历山大解释道：“为了通过发射霍金辐射来降低质量，黑洞必须‘重写’其信息或其他东西。这个重写过程需要时间。”。“它被称为‘记忆负担’，因为这种记忆现在必须传递给其他东西，这只是在某种程度上减缓了整个蒸发过程。所以这是一种稳定。”

这种“拯救机制”意味着原始黑洞重新成为潜在的暗物质候选者！

与暗物质完全相似？

然而，今天宇宙中可能存在原始黑洞这一事实并不意味着它们应该被视为暗物质嫌疑人。碰巧的是，还有其他原因将这些微小的假设黑洞与宇宙中神秘物质的含量联系起来。

也许最明显的联系是暗物质缺乏与光的相互作用。暗物质不发光或反射光，而包围所有黑洞的视界代表了穿过黑洞所需的逃逸速度超过光速的点。这意味着原始黑洞会“捕获”所有入射光，导致明显缺乏相互作用。

Thoss说：“如果它们足够轻，在行星质量周围的某个地方，原始黑洞在我们感兴趣的所有目的上都表现得像暗物质粒子。”。“在标准模型中，暗物质是‘无碰撞’的，因此暗物质粒子之间的相互作用不会影响宇宙。”

他补充说，如果原始黑洞的质量比行星质量轻，那么，即使在宇宙时间尺度上，它们也会很小，很少碰撞。这些原始黑洞可能会聚集在一起，产生我们目前认为属于暗物质的引力效应，例如提供引力影响，防止快速旋转的星系分飞。



一个暗物质云的例子，这可能真的是一团黑洞吗？（图片来源：X射线：NASA/CXC/CfA/M.Markevitch等人；光学：NASA/STScI；麦哲伦/U.Arizona/D.Clowe等人；Lensing Map:NASA/STScI；ESO WFI；麦哲伦/U.Aryzona/D.Clowe等人）

然而，如果原始黑洞必须聚集在一起以解释暗物质的影响，那么什么会阻止这些黑洞聚集在一起并合并形成更大的黑洞呢？一簇微小的黑洞最终不会变成一个巨大的黑洞吗？Thoss说已经对此进行了调查，答案很简单：“没有。”

他继续说道：“即使考虑到聚集，合并的时间尺度也很长，它们只会在整个宇宙年龄合并成真正大质量的黑洞。”。

Thoss补充道，使用原始黑洞作为暗物质解释的美妙之处在于，与使用轴子等假设粒子来解释奥秘不同，原始黑洞不需要扩展到粒子物理的标准模型，这是我们在亚原子尺度上对宇宙的最佳解释。

尽管如此，如果原始黑洞真的能解释这种现象，那么它们将很难被确认为暗物质。同样，它们的光捕获特性意味着它们实际上是不可见的。此外，在如此小的尺寸下，它们不像它们的恒星和超大质量兄弟那样具有巨大的引力效应。

即便如此，如果探测到一簇原始黑洞，也没有真正的方法来区分许多小黑洞和一个大黑洞。

尽管困难重重，但Thoss和Fernandes Alexandre打算至少在理论上保持对原始黑洞尾部的关注。如果暗物质的候选粒子继续无法显现，也许答案是让更多的物理学家开始审视粒子物理学和宇宙学之间的隐喻性围栏。

费尔南德斯·亚历山大说：“我不会说原始黑洞曾被视为暗物质候选者而被忽视；尽管它们被忽视了一段时间。”。“现在，鉴于我们并没有真正检测到粒子暗物质，我认为考虑这个选项变得越来越重要。”