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霍金：看不見的原始“原始”黑洞可能是隱藏的暗物質(zhì) 新研究顯示這一理論可以解釋許多東西
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)新浪科技（任天）：英國著名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金提出過一個觀點：看不見的“原始”黑洞可能是隱藏的暗物質(zhì)。這一理論已經(jīng)失寵了幾十年，霍金黑洞但一系列新的見的究顯解釋研究顯示，這一理論或許可以解釋許多東西。隱藏
黑洞是暗東西一種優(yōu)雅、簡潔的物質(zhì)天體，但在大眾的新研許多想象中，它們有時會顯得十分可怕。示理在許多方面，原始它們就像一個理想的霍金黑洞黑體（能吸收全部外來電磁輻射，沒有任何反射和透射的見的究顯解釋物體），使得我們很難估計宇宙中存在多少黑洞，隱藏以及它們的暗東西大小。因此，物質(zhì)2015年9月，新研許多當激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）的探測器第一次探測到引力波時，的的確確給物理學(xué)界帶來了驚喜。在此之前，最大的恒星黑洞——大質(zhì)量恒星引力坍縮后形成的黑洞——的質(zhì)量大約是太陽的20倍；而這些新發(fā)現(xiàn)的黑洞都有大約30倍太陽質(zhì)量，這并非不可思議，只是非常奇怪。此外，當LIGO啟動并立即開始聽到這類物體相互融合的信號時，天體物理學(xué)家就意識到，一定還有更多的黑洞潛伏在那里，也許遠遠超過他們的想象。
這些奇怪黑洞的發(fā)現(xiàn)給一個舊觀點注入了新的活力，近年來，這種觀點已經(jīng)逐漸邊緣化。我們知道，垂死的恒星可以產(chǎn)生黑洞，但黑洞或許也能在宇宙大爆炸中誕生。這些“原始”黑洞可能隱藏了起來，并構(gòu)成了暗物質(zhì)。畢竟，盡管經(jīng)過了幾十年的探索，研究者仍然沒有探測到暗物質(zhì)粒子。或許我們可以大膽地假設(shè)，如果黑洞一直就在我們的眼皮底下，情況又會如何？
美國約翰·霍普金斯大學(xué)的宇宙學(xué)家馬克·卡米奧考斯基（Marc Kamionkowski）表示，這的確是一個瘋狂的想法，但并不一定比其他觀點更瘋狂。事實上，探索這方面可能性的論文已經(jīng)有很多。2016年，卡米奧庫斯基所在的研究小組也發(fā)表了一篇令人矚目的論文。
可惜的是，紐約大學(xué)天體物理學(xué)家亞辛•阿里-海蒙德（Yacine Ali-Haimoud）在2017年發(fā)表了一篇論文，對這種類型的黑洞將如何影響LIGO的探測率進行了檢驗，在此之后，暗物質(zhì)與原始黑洞的關(guān)系開始受到質(zhì)疑。阿里-海蒙德計算出，如果新生宇宙產(chǎn)生的黑洞足夠多，能夠解釋暗物質(zhì)，那么隨著時間的推移，這些黑洞將形成雙黑洞系統(tǒng)，彼此環(huán)繞并越來越近，其合并速度甚至比LIGO觀測到的合并事件高數(shù)千倍。他呼吁其他研究人員使用其他方式，繼續(xù)研究這個想法。但許多人失去了希望。卡米奧考斯基指出，阿里-海蒙德的論點是如此戳中要害，以至于他自己對這個假說的興趣都被澆滅了。
我們所知的黑洞。2015年之前，所有恒星大小的黑洞都是由射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)的。這些黑洞的質(zhì)量似乎都局限在20倍太陽質(zhì)量以下。LIGO目前已經(jīng)觀察到許多更大黑洞的合并事件。如果原始黑洞真的存在，那么其中許多應(yīng)該就屬于質(zhì)量更大的范疇；余下黑洞的質(zhì)量則應(yīng)該小于太陽。
我們所知的黑洞。2015年之前，所有恒星大小的黑洞都是由射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)的。這些黑洞的質(zhì)量似乎都局限在20倍太陽質(zhì)量以下。LIGO目前已經(jīng)觀察到許多更大黑洞的合并事件。如果原始黑洞真的存在，那么其中許多應(yīng)該就屬于質(zhì)量更大的范疇；余下黑洞的質(zhì)量則應(yīng)該小于太陽。
然而現(xiàn)在，隨著最近一系列論文的發(fā)表，原始黑洞的觀點似乎又復(fù)活了。不久前，法國蒙彼利埃大學(xué)的宇宙學(xué)家卡爾斯頓·讓達齊克（Karsten Jedamzik）在《宇宙學(xué)和天體粒子物理學(xué)雜志》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上發(fā)表了最新的研究報告，其中闡述了大量的原始黑洞會如何導(dǎo)致與LIGO觀測結(jié)果完全吻合的碰撞。“如果他的結(jié)果是正確的——看起來他做的是相當仔細的計算——那就將給我們的計算畫上休止符，”阿里-海蒙德說，“這將意味著它們實際上可能就是所有的暗物質(zhì)。”他在后續(xù)的論文中也繼續(xù)對原始黑洞的觀點展開研究。
英國蘇塞克斯大學(xué)的宇宙學(xué)家克里斯蒂安·伯恩斯（Christian Byrnes）表示，這一結(jié)果非常令人興奮，“他比以前任何人都走得更遠”。伯恩斯為讓達齊克的一些論點提供了幫助。
這一論點的最初想法可以追溯到20世紀70年代斯蒂芬·霍金和伯納德·卡爾（Bernard Carr）的工作。他們推斷，在宇宙最初的幾分之一秒內(nèi)，密度的微小波動可能會賦予某些區(qū)域過多的質(zhì)量。每一個這樣的區(qū)域都會坍縮成黑洞，而黑洞的大小將由該區(qū)域的視界決定。所謂視界，便是以光速可到達的任何點周圍的空間。視界內(nèi)的任何物質(zhì)都會感受到黑洞的引力并墜入黑洞。霍金的粗略計算表明，如果黑洞的大小超過較小的小行星，那么它們可能仍潛伏在今天的宇宙中。
20世紀90年代取得了更大的進展。那時，理論物理學(xué)家們還提出了宇宙暴脹理論，認為宇宙在大爆炸之后經(jīng)歷了一次極端膨脹。暴脹理論可以解釋最初的密度漲落從何而來。在密度漲落的基礎(chǔ)上，物理學(xué)家們還考慮了一個沿著坍縮方向進行的關(guān)鍵躍遷。
宇宙剛形成時，其所有的物質(zhì)和能量都在難以想象的高溫等離子體中沸騰。在最初的十萬分之一秒左右之后，宇宙冷卻了一些，等離子體中的松散夸克和膠子得以結(jié)合在一起，形成更重的粒子。當一些閃電般快速運動的粒子被束縛在一起時，壓力也隨之下降。這可能有助于更多的區(qū)域坍縮成黑洞。
但在20世紀90年代，沒有人對夸克和膠子流體的物理學(xué)有足夠的了解，因此無法準確預(yù)測這種轉(zhuǎn)變將如何影響黑洞的產(chǎn)生。理論物理學(xué)家還說不清楚原始黑洞的質(zhì)量應(yīng)該有多大，或者其數(shù)量應(yīng)該有多少。
此外，宇宙學(xué)家似乎并不是真的需要原始黑洞。巡天調(diào)查對天空的一小塊區(qū)域進行了掃描，希望能找到大量像黑洞一樣稠密的暗物體漂浮在銀河系的外圍，但并沒有多少收獲。相反，大多數(shù)宇宙學(xué)家開始相信，暗物質(zhì)是由極端“不合群”的大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP）組成的。這是一種仍然停留在理論階段的粒子，只通過弱核力和引力產(chǎn)生相互作用，基本上不與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用。專門建造的WIMP探測器，以及即將上線的大型強子對撞機或許將很快找到它們存在的確鑿證據(jù)。希望如此吧。
暗物質(zhì)的問題看似即將取得突破，而且沒有觀察結(jié)果表明有其他選項，于是，原始黑洞在學(xué)術(shù)上就成了一潭死水。“一位資深宇宙學(xué)家似乎在嘲笑我研究這個，”讓達齊克說，“所以我停下了，因為我需要一個永久的職位。”他在這方面的研究興趣可以追溯到20世紀90年代。
當然，科學(xué)家在那之后的幾十年里沒有發(fā)現(xiàn)WIMP，也沒有發(fā)現(xiàn)任何新的粒子（除了很久之前就預(yù)測存在的希格斯玻色子）。暗物質(zhì)謎題的解答仍然遙遙無期。
然而，關(guān)于可能產(chǎn)生原始黑洞的環(huán)境，我們現(xiàn)在知道得更多了。物理學(xué)家已經(jīng)可以計算出宇宙誕生之初的夸克-膠子等離子體如何演化出壓力和密度。伯恩斯表示，物理學(xué)界花了幾十年時間才取得了這些成果。利用這些信息，伯恩斯和馬德里自治大學(xué)的胡安加西亞-伯利多（Juan García-Bellido）等理論物理學(xué)家，在過去幾年中發(fā)表了一系列論文，預(yù)測早期宇宙產(chǎn)生的黑洞可能不僅僅只有一種大小，而是有一系列不同的大小。
一開始，夸克和膠子結(jié)合在一起形成質(zhì)子和中子。這導(dǎo)致了壓力下降，并可能產(chǎn)生了一組原始的黑洞。隨著宇宙持續(xù)冷卻，π介子等粒子形成，造成另一次壓力驟降和可能的黑洞爆炸。
在這兩個時期之間，空間本身也在膨脹。最初的黑洞可以從自身周圍的視界吸入大約相當于太陽質(zhì)量的物質(zhì)。第二輪則可能吸入大約30倍太陽質(zhì)量的物質(zhì)，就像LIGO第一次探測到的奇怪物體一樣。“引力波拯救了我們，”加西亞-伯利多說道。
2016年，在LIGO團隊宣布了探測到第一個引力波后的幾周內(nèi)，原始黑洞假說又復(fù)活了。但是第二年，阿里-海蒙德提出了他的觀點，認為原始黑洞會過于頻繁地碰撞，這給原始黑洞假說的支持者帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
讓達齊克接受了挑戰(zhàn)。在哥斯達黎加的一次長假中，他對阿里-海蒙德的說法進行了仔細研究。阿里-海蒙德是通過方程進行分析的，但是當讓達齊克對同樣的問題進行數(shù)值模擬時，他發(fā)現(xiàn)了一個轉(zhuǎn)折。
原始黑洞確實會形成雙黑洞系統(tǒng)，但讓達齊克的結(jié)論是，在一個充滿黑洞的宇宙中，第三個黑洞通常會接近最初的一對黑洞，并與其中的一個黑洞交換位置。這一過程將一再重復(fù)。
隨著時間的推移，這種從一對黑洞到另一對黑洞的變換會使雙黑洞系統(tǒng)的軌道幾乎變成圓形。這些成對黑洞的碰撞速度會非常慢。即使存在大量的原始黑洞，其合并也不會如此地頻繁。這就使整個假設(shè)仍然符合LIGO觀測到的合并率。
2020年6月，讓達齊克在網(wǎng)上發(fā)表了自己的研究成果，回答了阿里-海蒙德等外界專家提出的問題。他說：“盡一切可能讓學(xué)術(shù)界相信，你不是在胡言亂語，這是非常重要的。”
他還預(yù)測，原始黑洞將位于暗星團中，后者的直徑大約相當于太陽和最近恒星之間的距離。每一個星團可能都包含了大約1000個擠在一起的黑洞。質(zhì)量為30個太陽的巨型黑洞將位于中心；更普通的小一些的黑洞則填滿剩下的空間。這些星系團會潛伏在天文學(xué)家認為暗物質(zhì)存在的任何地方。就像星系中的恒星，或者繞太陽旋轉(zhuǎn)的行星一樣，每個黑洞的軌道運動將阻止它吞噬另一個黑洞——除非發(fā)生一些不尋常的合并事件。
在第二篇論文中，讓達齊克精確計算了這些合并事件的罕見程度。他計算了LIGO觀測到的大黑洞和未觀測到的小黑洞（小黑洞會發(fā)出微弱而尖銳的信號，只有在離它很近的地方才能探測到）。“當然，當我一個接一個地得出合并率的正確數(shù)值時，我感到非常震驚，”讓達齊克說道。
原始黑洞假說的支持者們還有許多事情要做，才能更具有說服力。大多數(shù)物理學(xué)家仍然相信，暗物質(zhì)是由某種基本粒子構(gòu)成的，而這種粒子極其難以探測。此外，如果LIGO探測到的黑洞來自普通恒星，那么它們與我們預(yù)期的黑洞并沒有太大不同。“這在某種程度上填補了理論中一個實際上并不存在的漏洞，”美國卡耐基梅隆大學(xué)的天體物理學(xué)家卡爾·羅德里格斯（Carl Rodriguez）說，“一些LIGO光源有些奇怪的地方，但我們可以通過正常的恒星演化過程來解釋目前為止我們所看到的一切。”
哈佛大學(xué)的天體物理學(xué)家塞爾瑪•德•明克（Selma de Mink）則更為直言不諱，他說：“我認為天文學(xué)家對此可以一笑了之。”他曾提出恒星如何獨自形成LIGO所觀測到的大型雙黑洞系統(tǒng)的理論。
根據(jù)原始黑洞假說，發(fā)現(xiàn)一個亞太陽質(zhì)量的黑洞應(yīng)該是比較常見的，而且這種黑洞不能由恒星形成。如果這一觀點是正確的，那將會改變整個爭論。在未來的每一次觀測中，隨著LIGO靈敏度的提高，它最終要么能發(fā)現(xiàn)這些小型的黑洞，要么將對可能存在的黑洞數(shù)量設(shè)定嚴格的限制。“這個假說不同于弦理論，十年或三十年后，我們可能仍在討論弦理論是否正確，”伯恩斯說道。
與此同時，其他天體物理學(xué)家也在探索這個理論的不同方面。例如，也許對原始黑洞最強烈的限制來自微引力透鏡搜索。微引力透鏡是20世紀60年代就提出的概念，描述的是發(fā)生在恒星級天體中的引力透鏡現(xiàn)象，對這些現(xiàn)象的調(diào)查同樣開始于20世紀90年代。天文學(xué)家通過這些調(diào)查監(jiān)測明亮但遙遠的光源，等待暗物體從它們前方經(jīng)過。長期以來的研究排除了均勻分布的小型黑洞存在的可能性。
但加西亞-伯利多表示，如果原始黑洞以一系列大小不同的質(zhì)量存在，如果它們被壓縮成密集的大質(zhì)量星團，那以上這些結(jié)果可能就沒有研究人員想象的那么重要。接下來的觀測或許能最終解決這個問題。歐洲空間局最近同意為美國國家航空航天局即將推出的羅曼太空望遠鏡（原名大視場紅外巡天望遠鏡）提供一項關(guān)鍵的額外功能，這將使它能夠進行突破性的微引力透鏡研究。
這項功能是在歐洲空間局科學(xué)主任岡瑟·哈辛格（Gunther Hasinger）的指令下推出的，他曾提出，原始黑洞可以解釋多個謎團。在哈辛格看來，這是個很吸引人的想法，因為沒有引入新的粒子或新的物理理論，而只是重新利用了舊元素。“我相信，也許有些懸而未決的謎題其實可以自己解決，只要你用不同的眼光看，”他說道。