原初黑洞與暗物質(zhì)有關(guān)嗎

都芃

原初黑洞理論自提出至今已有50余年，在很長一段時間內(nèi)，天文學(xué)界對于原初黑洞的研究進展緩慢，直至近年來研究者開始將原初黑洞與宇宙學(xué)中的另一大“流量擔(dān)當”——暗物質(zhì)緊密聯(lián)系起來，才使得原初黑洞理論研究再一次受到重視。

英國杜倫大學(xué)3月29日宣布，由該校牽頭的一項研究利用引力透鏡效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了一個超大黑洞，其質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的300億倍。

這一研究將黑洞再一次帶到了人們面前。在龐大的黑洞家族中，還存在一類十分特殊的黑洞，它們被認為誕生于宇宙的“遠古時期”，故被稱為原初黑洞。此前，曾有研究者大膽提出，原初黑洞或許與宇宙的另一大“未解之謎”暗物質(zhì)之間有著千絲萬縷的聯(lián)系，原初黑洞可能正是人類苦苦尋找的暗物質(zhì)的主要來源。

那么，事實果真如此嗎？

一般而言，黑洞是由壽終正寢的大質(zhì)量恒星坍縮而成的。恒星坍縮后形成的致密天體具有強大的引力，甚至能夠?qū)⒐馐`住，故而得名黑洞。由于需要恒星作為“原材料”，通常認知中的黑洞只能形成在宇宙第一批恒星死亡之后，約為大爆炸后的一億年。

但原初黑洞則不同，作為黑洞中的“早產(chǎn)兒”，它的形成不依賴恒星，它們的出生日期要比恒星更早。蘇聯(lián)理論天體物理學(xué)家澤爾多維奇等人在上世紀60年代便提出了原初黑洞的設(shè)想。此后，霍金等人也對該設(shè)想進行了進一步發(fā)展，他們認為在宇宙大爆炸剛發(fā)生不久時，宇宙中充斥著各種粒子，但宇宙中各區(qū)域的密度并不一致，存在一定程度的密度波動，其中密度較高的區(qū)域便可能直接坍縮形成黑洞。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系教授蔡一夫表示，通過這種機制產(chǎn)生的黑洞質(zhì)量分布范圍極廣，從小于1克到數(shù)百萬倍太陽質(zhì)量都有可能。

雖然無法直接證明原初黑洞的存在，但越來越多的觀測事實在為原初黑洞理論添磚加瓦。目前人類已能夠在很早期的宇宙中觀測到質(zhì)量在數(shù)百萬倍甚至數(shù)億倍太陽質(zhì)量的黑洞，而現(xiàn)有的黑洞形成理論無法解釋這些超大質(zhì)量黑洞的形成?！叭绻呛阈撬劳霎a(chǎn)生的黑洞，其質(zhì)量范圍大約只在3倍到數(shù)百倍太陽質(zhì)量之間，即使考慮到吸積過程和并合的可能，其距離產(chǎn)生超大質(zhì)量黑洞也還很遙遠?！辈桃环驁F隊碩士研究生馬瀟漢表示。不僅如此，通過近年來的引力波觀測數(shù)據(jù)，研究者逐漸發(fā)現(xiàn)，當下已經(jīng)觀測到的黑洞的質(zhì)量分布與傳統(tǒng)理論有所出入，而原初黑洞理論則可以很好地解釋相關(guān)現(xiàn)象。

原初黑洞理論自提出至今已有50余年，在很長一段時間內(nèi)，天文學(xué)界對于原初黑洞的研究進展緩慢，直至近年來研究者開始將原初黑洞與宇宙學(xué)中的另一大“流量擔(dān)當”——暗物質(zhì)緊密聯(lián)系起來，才使得原初黑洞理論研究再一次受到重視。

目前的觀測結(jié)果表明，宇宙當中有95%的物質(zhì)我們知之甚少，我們接觸到的物質(zhì)，即天文學(xué)中所說的重子物質(zhì)只占總物質(zhì)的5%。在那些我們所不了解的物質(zhì)中，為星系形成提供引力幫助的暗物質(zhì)就占據(jù)了整個宇宙的約25%。因此，我們完全有理由認為暗物質(zhì)世界也是一個十分豐富的世界。但暗物質(zhì)究竟是什么，沒有人能給出確切答案?！拔覀兡壳爸荒芡ㄟ^引力效應(yīng)推測暗物質(zhì)的存在?！辈桃环虮硎尽６茖W(xué)家之所以將原初黑洞列為暗物質(zhì)的候選者之一，主要原因在于原初黑洞形成于元素合成之前，它可以被歸類為非重子物質(zhì)，并且其動力學(xué)性質(zhì)與暗物質(zhì)相似。此外，如果用原初黑洞來解釋暗物質(zhì)，也不需要引入超出標準模型的新粒子。

原初黑洞構(gòu)成全部的暗物質(zhì)，這個想法聽起來十分大膽，因此自提出后便有不少研究者從各個角度對這一問題進行深入探究。

此前，大量的引力波觀測數(shù)據(jù)表明，恒星級質(zhì)量的原初黑洞構(gòu)成暗物質(zhì)的可能性微乎其微。于是有研究者提出，恒星級質(zhì)量的原初黑洞如果是以成團的方式存在，它們或許就能夠通過一些相互作用來改變它們之間的并合率，顯著增加它們構(gòu)成暗物質(zhì)的可能性，同時也會使其躲過人類現(xiàn)有的微引力透鏡觀測。但不久前，發(fā)表于《物理學(xué)評論快報》上的一項研究也指出帶有成團特性的恒星級質(zhì)量的原初黑洞依然不可能是暗物質(zhì)的全部構(gòu)成。

馬瀟漢介紹，由于宇宙中存在紅移效應(yīng)，遙遠天體的光線在到達地球時，其波長會發(fā)生紅移。遙遠的星系和類星體發(fā)出的光在穿越宇宙時，會被不同距離的中性氫氣體進行部分吸收，這體現(xiàn)在光譜上便是密集且不規(guī)則的吸收坑，就像是密密麻麻的森林，因此這種現(xiàn)象被稱為萊曼α森林。這種方法可以用來探測宇宙中氣體的分布，而暗物質(zhì)作為宇宙中結(jié)構(gòu)形成的幫手，與氣體的分布緊密相關(guān)，因此萊曼α森林便可以用來幫助我們了解暗物質(zhì)的分布情況。

據(jù)此，研究團隊設(shè)置了兩個約束條件，并將先前天文觀測所設(shè)定的微透鏡約束與被稱為萊曼α森林的數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過對這兩方面數(shù)據(jù)的深入分析、對比，研究人員發(fā)現(xiàn)，如果恒星級質(zhì)量的原初黑洞真的規(guī)避了現(xiàn)有的微引力透鏡觀測，那么其應(yīng)該是弱成團，而非強成團，這與此前的觀點相互矛盾。因此，研究者認為，恒星級質(zhì)量的原初黑洞不可能通過增強成團特性來規(guī)避現(xiàn)有約束，使其成為暗物質(zhì)候選體之一。

研究中提到的微引力透鏡是一種天文觀測手段。其基本原理是，基于廣義相對論，光線會因為大質(zhì)量天體而產(chǎn)生彎曲，類似于透鏡對于光線的作用。而如果在我們和極其遙遠的發(fā)光天體之間存在一些致密的引力源，它們的引力場便會像透鏡一樣使得我們接收到的光線強度產(chǎn)生相應(yīng)變化。于是微引力透鏡很自然地被用來搜尋引力巨大的黑洞，甚至是其他恒星系統(tǒng)的行星。

但蔡一夫也表示，這一論點雖然在某個維度上降低了原初黑洞作為暗物質(zhì)構(gòu)成這一理論的生存空間，但實則其也有相當多的限制條件，“換句話說，任何一個限制條件的破壞，都可能導(dǎo)致這一結(jié)論的不成立?！?/p>

雖然最新研究對于原初黑洞是暗物質(zhì)的可能性，給出了不那么樂觀的結(jié)論，但其并沒有完全否定恒星級質(zhì)量的原初黑洞作為暗物質(zhì)候選者之一的可能性。馬瀟漢介紹，在原初黑洞的研究領(lǐng)域中，有這樣一張圖表，縱軸是原初黑洞可能占暗物質(zhì)的比例，橫軸是原初黑洞的質(zhì)量。雖然目前已經(jīng)有一些質(zhì)量范圍內(nèi)的原初黑洞不能構(gòu)成暗物質(zhì)，但仍還有一些質(zhì)量范圍內(nèi)的原初黑洞有可能是構(gòu)成暗物質(zhì)的重要部分。

“一個科學(xué)理論是不能夠被完全證實的，我們只能夠證偽?！辈桃环蛘J為，即使我們確實找到了質(zhì)量很小的黑洞，比如小于兩倍太陽質(zhì)量的黑洞，那也只能說明在現(xiàn)有的理論框架下我們發(fā)現(xiàn)了一個不是由于恒星死亡而產(chǎn)生的黑洞。雖然它非常有可能就是原初黑洞，但這距離能夠完全證實原初黑洞理論還有一定的距離。

當然，如果未來我們擁有更強大的觀測能力，能夠在極早的宇宙中發(fā)現(xiàn)輻射物質(zhì)直接坍縮形成黑洞的跡象，那么或許我們便可以聲稱我們真正看到了原初黑洞的誕生?？梢源_定的是，未來借助激光干涉引力波天文臺（LIGO）和我國“天琴”等引力波觀測項目，以及引力透鏡、伽馬射線、X射線、紫外線、射電等觀測手段，我們有望豐富人類對“黑洞動物園”的了解，能夠看到那些正在“進食”或是“沉睡”的黑洞，這些都將幫助我們了解黑洞的形成和演化，也將幫助我們深刻理解暗物質(zhì)和黑洞之間的聯(lián)系。