宇宙中可能充满了不会死亡的超轻黑洞

何一方88

这张模拟图像展示了黑洞如何弯曲星空背景并捕捉光线。来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心

据《今日宇宙》（布莱恩·科伯林）：原始黑洞是在宇宙最早的时刻形成的假想物体。根据这些模型，它们是由物质密度和时空的微小波动形成的，成为沙粒大小的山状黑洞。

尽管我们从未探测到原始黑洞，但它们具有暗物质的所有必要特性，例如不发光和聚集在星系周围的能力。如果它们存在，它们可以解释大部分暗物质。

不利的一面是，大多数原始黑洞候选者已经被观测排除在外。例如，为了解释暗物质，必须有如此多的引力粒子，以至于它们经常从我们的有利位置从恒星前面经过。这将产生一个我们应该定期观察的微透镜光斑。几次巡天都没有发现这样的事件，所以PBH暗物质现在不是一个流行的想法。

发布在arXiv预印本服务器上的一项新工作采用了略有不同的方法。它考虑的不是典型的原始黑洞，而是超轻黑洞。这些物质的质量很小，非常小，以至于霍金辐射会发挥作用。

霍金衰变的速率与黑洞的大小成反比，因此这些超轻黑洞应该在短的宇宙时间尺度上辐射到生命的尽头。由于我们没有一个完整的量子引力模型，我们不知道超轻黑洞最终会发生什么，这就是本文的来源。



原始黑洞的观测极限。来源：S.Profumo

正如作者所指出的，基本上有三种可能的结果。第一个是黑洞完全辐射出去。黑洞将以高能粒子的短暂闪光而结束。第二种是某种机制阻止了完全蒸发，黑洞达到某种平衡状态。第三种选择与第二种类似，但在这种情况下，平衡状态会导致视界消失，留下一个暴露的致密物质，称为裸奇点。作者还指出，对于后两种结果，物体可能具有净电荷。

对于蒸发的情况，最大的未知数是蒸发的时间尺度。如果PBH最初很小，它们会迅速蒸发，并增加早期宇宙的再加热效应。如果它们慢慢蒸发，我们应该能够将它们的死亡视为伽马射线的闪光。这两种效应都没有被观测到，但像费米大面积望远镜这样的探测器可能会捕捉到其中的一种。

对于后两种选择，作者认为平衡将在普朗克尺度附近达到。残余物将是质子大小的，但质量要高得多。不幸的是，如果这些残留物是电中性的，就不可能被探测到。它们不会衰变成其他粒子，也不会大到可以直接探测到。这符合观察结果，但不是一个令人满意的结果。这个模型基本上是无法验证的。如果这些粒子确实带有电荷，那么我们可能会在下一代中微子探测器中探测到它们的存在。

这项工作的主要内容是，目前的观测并没有完全排除原始黑洞的可能性。在我们有更好的数据之前，这个模型加入了许多其他可能性的理论堆。