暗物质究竟是由什么组成的？和黑洞有什么关系

redfree

宇宙中85%的物质都是暗物质，但暗物质究竟是由什么组成的？
大多数物理学家认为暗物质是由亚原子粒子构成的，例如弱相互作用大质量粒子（WIMP），或者所谓的轴子。然而，几十年来对这些粒子进行搜索的尝试总是空手而归，这也为其他可能性打开了大门。
其中一种可能的组成是黑洞，但不是大质量恒星爆炸时形成的普通黑洞，而是在宇宙早期大量形成的黑洞——原初黑洞。
但是，人们一直没有发现原初黑洞存在的蛛丝马迹。宇宙学家对黑洞即暗物质的假说也是观点混杂。然而，对引力波的观测让这个想法复苏了。

引力波观测的证据
事情是在2016年发生变化的。这一年，LIGO-Virgo合作报告了第一次引力波探测，引力波来源于两个黑洞的合并。这些黑洞的质量（约为30个太阳质量）要比恒星模型（stellar model）的预测大一点，它们的旋转速度也比预期的慢一些，所以许多理论家开始考虑其原始起源。

○ LIGO-Virgo探测到两个黑洞的合并过程，这启发很多宇宙学家思考，或许原初黑洞的数量非常之多，多到足以构成至少部分的暗物质。| 图片来源：LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (A. Simonnet)
制造原初黑洞的基本方法其实很简单：只需要在宇宙早期有一块区域，它的密度大约是平均密度的两倍，剩下的事情，引力自然会完成。
然而，问题首先是，可能存在一块密度过高的区域吗？宇宙微波背景辐射（CMB）的证据表明，至少在大尺度上，早期宇宙似乎非常均匀。如果所有的密度涨落都像宇宙微波背景辐射中那样小，那么在宇宙早期根本不会产生任何黑洞。

○ 根据宇宙暴胀理论，宇宙在大爆炸后加速膨胀，使得量子涨落被放大到宇宙量级，因而至少在大尺度上，早期宇宙看起来非常均匀，正如宇宙微波背景辐射的证据表明的那样。| 图片来源：NASA
然而，理论学家已经设计出了一些早期宇宙模型，可以在小尺度上产生大密度涨落，同时仍然与宇宙微波背景辐射的观测吻合。
粒子物理学家Juan Garcia-Bellido就提出了一个这样的模型，叫做混合暴胀（hybrid inflation）模型。该模型预测，早期宇宙会产生大量原初黑洞，它们的质量分布在广泛的区间内。
Garcia-Bellido认为，这些黑洞可以解决宇宙学中几个悬而未决的问题。例如，一些原初黑洞的合并或许可以解释在X射线研究中远距离观测到的超大质量黑洞的巨大数量；原初黑洞也可能在产生宇宙红外背景中测量到的涨落中发挥作用。
当然，最令人兴奋的可能是，原初黑洞数量之多足以解释暗物质的存在。根据混合暴胀模型，银河系应该是游荡在大约一万亿个黑洞的海洋中。然而，García-Bellido解释说，我们不必为空间中可能充满了黑洞而紧张不安，因为它们的距离非常遥远，一个黑洞靠近我们太阳系的可能性简直微乎其微。
尽管如此，这些黑洞偶尔还是会发生碰撞，尤其是撞到彼此身上。迄今为止，LIGO-Virgo探测到了5个黑洞的合并，这为存在大量质量在10个太阳质量范围内的黑洞提供了证据。但是，这一数量是否足以构成暗物质呢？
最近的计算表明，如果暗物质是由质量介于10到300个太阳质量的黑洞组成，那么，在第一次运行时，LIGO就应该探测到数百个黑洞合并事件。反过来说，数个太阳质量的黑洞可能只占所有暗物质的1%。
然而，也存在一些情景可能超越这个限制，例如，黑洞可能会因为引力作用而结合成团，类似于恒星形成星团那样。García-Bellido认为，黑洞团体内部的引力扰动会降低总体的合并率，但是成团的全部影响仍然是一个活跃的研究领域。

引力透镜的证据
对于多少暗物质是由黑洞构成的，研究人员根据各种各样的数据来确定这个界限，有来自宇宙微波背景辐射的观测数据，也有来自矮星系的恒星密度分布。其中最早的限制来自于搜寻引力透镜效应的结果。
引力透镜效应是指，当大质量黑洞穿过一颗遥远的恒星和地球之间时，黑洞的引力场会使到达地球的星光弯折，因而恒星看起来会短暂地变亮。
引力透镜的搜寻结果已经排除了从很小质量到10个太阳质量的原初黑洞的大量存在。但是对于更大质量的原初黑洞，引力透镜让恒星亮度出现波动的时间尺度长达数十年，这让观测大质量原初黑洞变得困难而不可行。
为了克服这个困难，研究人员转而研究Ia型超新星的引力透镜效应。Ia型超新星被称为宇宙中的标准烛光，这些爆发的恒星会发射出特定亮度的光，并以独特的方式逐渐黯淡下去。在通过引力透镜观测Ia型超新星时，它的亮度以及变暗的速度与不存在引力透镜时会有所不同。这样，通过观察Ia型超新星的引力透镜效应就可以发现是否存在大质量原初黑洞，而不用长时间等待普通恒星的亮度变化。

○ 通过哈勃望远镜和钱德拉塞卡天文台观测Ia型超新星遗迹变黯淡的过程。| 图片来源：NASA
在分析了1300颗超新星的观测数据后，研究人员并没有发现异常的亮度-变暗速度关系，因此，他们得出结论：不可能有足够数量的、超过0.01个太阳质量的原初黑洞构成宇宙中所有的暗物质，原初黑洞最多只占全部暗物质的40%。





黑洞是否是暗物质的组成成分？如果是，所占比例的界限到底在哪里？研究人员对此形成了两极化的观点。
纽约大学的Ali-Hamoud认为，无论是确定黑洞构成暗物质，还是排除这种可能性，都为时过早。事实上，答案可能介于两者之间，黑洞提供了一部分暗物质，其余部分由其他粒子组成。我们没有理由相信，大自然会仁慈到只给我们一种的暗物质。
参考链接：
https://physics.aps.org/articles/v11/99
https://physicsworld.com/a/supernovae-reveal-that-primordial-black-holes-cannot-account-for-all-dark-matter/

本文选自：今日头条

kgd520

收藏了