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暗物质是原初黑洞吗？（上）
上期我们说到克莱斯和加西亚·贝利多提出了一个猜想，那就是在大爆炸后 50 万年内，宇宙中会产生一群一群的大质量黑洞。并且这个理论预言：我们可以利用极为灵敏的引力波探测器，例如美国的 LIGO引力波探测器，探测到两个黑洞合并而产生的引力波。
他们是 2015 年 1 月份预言了 LIGO 可能探测到这种大质量黑洞并合发出的引力波，结果到了 2015 年的 9 月 14 日,LIGO 果然探测到了两个太阳质量 30 倍左右的黑洞合并而发出的引力波，经过非常慎重仔细的反复确认，LIGO 和 VIRGO 团队共同宣布，人类首次探测到了来自宇宙中的真实引力波，并且与广义相对论的计算值吻合的非常完美。俩位作者对原初黑洞群内合并率的估计也与 LIGO 定出的极限完美符合。
他们的这种假想有一个关键优势，就是能够解释之前微引力透镜巡天观测的一个结果，也就是质量大约为 10 倍太阳质量的黑洞不可能是暗物质的主要成分。如果原初黑洞存在，并且质量范围较宽的话，那么可能只有一小部分黑洞对微引力透镜实验是可见的，大多数是没办法用这种手段探测到的。更重要的是，按照他们的猜想，原初黑洞是聚集成群的，那么微引力透镜巡天监测的那些近邻卫星星系中，正好在恒星视线方向上遇到一个黑洞的概率要小于千分之一。
所以，研究者可以在天空中的其他位置搜寻微引力透镜事件，寻找其他天体亮度升高的现象，例如银河系邻居仙女星系中的恒星，甚至更遥远星系中的类星体。通过这种方法，可以在银晕中更大的范围内探测暗天体，也就是原初黑洞的信号。
总之，我们目前的所有观测结果，都还不能排除暗物质大部分由原初黑洞组成的可能性。事实上，他们提出的这个图景还可以解释其他一些与暗物质及星系形成相关联的宇宙之谜。
原初黑洞群可以解决另外一个天文学界的难题，这就是卫星星系缺失问题。
这类“矮”卫星星系应该在我们银河系这样的大质量星系周围形成，但看起来却意外地少。我们现在对宇宙暗物质分布的模拟，与我们当前观测到的宇宙大尺度结构符合的非常好，这种大尺度结构是什么样子的呢，你们会看到我们的宇宙在大尺度下面，就好像一张渔网一样，是由巨型丝状结构和片状结构交织起来的一张网。
然而，在较小尺度上，这些模拟预言大质量星系周围有大量的暗物质子晕。每一个这种暗物质子晕都应该含有一个矮星系，所以，我们的银河系周围应该会有数百个矮星系。然而天文学家发现的矮星系却远少于模拟的结果。
卫星星系缺失问题有很多种可能的解释，主要的思路是，模拟不能完全体现普通物质（恒星中的氢和氦）对矮星系的形成和行为的影响。克莱斯和贝利多的图景提出，如果聚集成团的原初黑洞构成了大部分暗物质，那么它们也是银河系周围的暗物质子晕的主要成分。黑洞会吸收一部分普通物质，降低了子晕中的恒星形成率。
此外，即使这些暗物质子晕中能形成大量恒星，这些恒星也很容易因为与大质量原初黑洞靠的太近而被弹出去。两个效应可以极大地降低卫星星系的亮度，如果不使用高灵敏的宽视场相机是难以探测到它们的。幸运的是，现在已经有这种相机了，天文学家已经用它们在银河系周围发现了数十个极暗的矮星系。这些天体中含有的暗物质是发光恒星质量的数百倍，而他们的模型则预言，银河系周围应该还有数千个这样的矮星系。
对暗物质的模拟还显示出，在银河系附近还应该有一类介于矮星系和大质量星系之间的星系。这些星系按理说应当能稳定地形成恒星并且容易被观测到。不过，天文学家搜索银河系附近时，并没有发现这类星系。这个矛盾被形象地称为“too big to fail”也就是“大到不能忽视”的意思，在作者看来，这个问题有一个和卫星星系缺失问题差不多的答案：对于中等大小的星系，其星系核中的大质量原初黑洞可以将恒星和形成恒星的气体从星系中弹出，导致大部分巡天都观测不到它们。
原初黑洞也可以解决超大质量黑洞的起源问题。
这些怪兽的质量相当于数百万到数十亿个太阳质量，天文学家在宇宙早期的类星体和大质量星系的中心观测到了它们。并且，现在的观测表明，几乎每一个大的漩涡星系和棒旋星系的中心都有一个超大质量的黑洞。然而，如果这些超大质量黑洞是由宇宙第一代恒星塌缩而形成和长大的，那么它们应该不会在这样一个相对较短的时间——大爆炸后不到 10 亿年内获得如此庞大的质量。
在作者提出的图景中，尽管大部分原初黑洞只有数十倍太阳质量，但也有非常少的一些会重得多，达到数百太阳质量到数万太阳质量。这些诞生于大爆炸后不到 1 秒的巨型天体可能就是形成第一代星系和类星体的巨型种子，这样的话，星系和类星体的中心就可以快速形成超大质量黑洞。这些种子也可以解释我们在超大质量黑洞周围以及球状星团中心观测到的那些 1000 倍太阳质量到百万倍太阳质量的中等质量黑洞。
换句话说，原初黑洞可能是传统恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间缺失的一环。支持这个图景的观测证据正在快速增加，最近，有研究者在早期宇宙中探测到了异常丰富的 X 射线源。对这个观测结果，最简单的解释就是，大爆炸后不到十亿年时，数量众多的原初黑洞在大量吞噬气体时发出了 X 射线。
尽管大质量原初黑洞听上去可以解决暗物质之谜和许多其他由来已久的宇宙学问题，但目前这依然只是一个猜想。其他模型和解释仍然有可能是正确的，未来的观测结果决定了这些不同模型哪些可以留下来。实际上，在未来几年，一些观测可以帮助我们检验原初黑洞图景。例如，
探测极暗矮星系探测大质量原初黑洞对银河系中恒星位置的影响绘制第一代恒星形成时期中性氢的分布图，以及研究宇宙微波背景辐射中的扭曲。
除了这些实验，我们现在还有一个全新的工具可用来揭开宇宙之谜，即升级后的 LIGO 和其他引力波探测器。如果 LIGO 探测到的真是大质量原初黑洞的合并，那么我们有理由认为，未来几年它还能探测到更多此类事件。2016 年 6 月，升级版 LIGO 宣布第二次探测到两个黑洞合并发出的引力波，两个黑洞分别是 14 倍和 8 倍太阳质量，同时他们还报告发现了另一次 23 倍太阳质量和 13 倍太阳质量黑洞合并事件的可能线索。截止到目前，LIGO团队宣称又探测到了另外 6 个可能的合并事件，正在进一步的确认中。这些探测结果都表明，双黑洞比预期的更多，它们的质量分布也很宽，与作者提出的大质量原初黑洞的图景相符。
对科学研究来说，尤其是对天文学和宇宙学来说，最重要的还是观测证据，理论再完美，没有观测证据的支撑，那也都是 NOTHING，看上去作者提出的暗物质是原初黑洞的理论已经得到了不少证据的支持，但还远远不够。还需要更多的观测证据。作者在文末又提出了以下一些观测能够检验他们的理论。我们一个一个来看一下。
第一，更多的引力波探测。升级版 LIGO（美国）和升级版 Virgo，这个引力波探测器是在意大利，以及其他正在建设中的更多引力波探测器，应该会探测到更多黑洞并合。如果探测到的大质量黑洞并合事件多得超出预期，那就表明这类黑洞从起源上看可能是原初黑洞，但单凭这样的观测还不能证明原初黑洞构成了暗物质。要证明后者，还必须把其他观测结合起来。若能探测到质量低于钱德拉塞卡极限，也就是 1.45 倍太阳质量的黑洞，就能无可置疑地证实黑洞的原初起源。因为根据广义相对论，质量比这更小的恒星是不能自发塌缩形成黑洞的。幸运的是，LIGO 可能很快会达到探测这类黑洞的灵敏度。最终，在宇宙学尺度上，丰富的双黑洞应该能产生一个弥散的引力波背景，等未来我们拥有了太空中的引力波天文台，也就是 LISA，以及地面上的脉冲星计时阵，就能探测到如同宇宙微波背景辐射一样的宇宙引力波背景。
第二，2015 年，天文学家使用来自暗能量巡天项目的数据在银晕中发现了数十个极暗矮星系，这个发现表明，银河系周围可能有数百个这样的暗物质主导的矮星系。如果暗物质由原初黑洞组成，那么它们中的大部分应该处于这些矮星系中，大量原初黑洞可以用未来的太空天文台设备探测到，例如欧洲空间局的欧几里得计划和美国航空航天局的宽视场红外巡天望远镜。
第三，欧洲空间局正在进行的盖亚（Gaia）项目正在以前所未有的精度测量银河系中大约十亿颗恒星的位置和速度。大质量黑洞会导致附近恒星的运动出现微小变化，因此盖亚的观测可能揭示出大量孤立大质量黑洞的存在。
第四，在第一代恒星形成之前和形成过程中，宇宙大部分由不带电的中性氢组成，它们会发出波长为 21 厘米的特征性射电辐射。最早到 2020 年，将成为有史以来最大的射电望远镜的平方公里阵（SKA）将开始对这个 21 厘米波长的信号进行全天成图观测。在原初黑洞吸引下，物质加速下落，会产生强烈的 X 射线辐射，让周围的中性氢电离，在全天 21 厘米辐射图中留下印记。故而 SKA 应该能探测到大质量原初黑洞的存在，如果它们真的构成了暗物质的话。
第五，在宇宙早期，原初黑洞吞噬气体和尘埃发出的 X 射线应该也会导致宇宙微波背景辐射谱的扭曲。不过，这个效应的重要性还有些争议，特别是对于原初黑洞紧密成团的模型。然而，美国航空航天局已经提出了原初暴胀探测器（PIXIE）计划，目的是为了准确测量这种扭曲。这样的观测有望对原初黑洞暗物质模型给出严格的边界条件。
以上这五点就是文章作者提出验证方式，判断一个理论是科学还是伪科学，有一个重要的特征就是看这个理论是否能够提出可供检验的预言，这也被称为可证伪性，可证伪性就是可检验性。关于暗物质，有些人认为暗物质可能跟当年的以太一样，科学家们原本都坚信以太的存在，可后来发现以太是不存在的。
但是，暗物质和以太有着根本的不同。
首先，当年的以太只存在于科学家们的理论当中，并没有任何实验可以证明以太的存在。而暗物质则不同，我们的天文学观测证据明确观测到了暗物质产生的引力效应，这是实实在在的证据，并不是纯理论的假想。
关于暗物质，最严重的误导就是百度百科上的词条。在百度百科上，把暗物质定义为：一种因存在现有理论无法解释的现象而假想出来的物质。这个定义是非常严重的误导。如果放到二十年前，这样的定义还说的过去。可是放到今天，已经严重过时了。
关于暗物质的定义，目前主流科学界比较认可的定义是：有质量，但不与电磁波发生相互作用的物质。维基百科和欧洲核子中心（CERN）的官网上关于暗物质的词条都是这样的定义。这才是比较准确的定义。
对于暗物质是否存在，这在当今的主流科学界是没有争议的。当然，任何前沿的科学领域都不可能是完全一致的声音，总有一些代表少数派的科学家提出一些不同的观点，这都很正常。但作为科普来说，首要传播的不是非主流的观点，而是传播主流观点。
还有一点请大家注意，像我这样的科普作家并不是科学家，我并没有能力做科学结论的是非判断，我只是帮大家从浩瀚的科学海洋中甄别出哪些是主流，哪些是支流，并且如实客观地告诉大家，这就是我认为一个职业科普人的操守，也是我对各位的价值所在。
全文完
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原文地址：今日头条 |
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发表于 2019-11-27 21:26:39
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