霍金：看不见的“原始”黑洞可能是隐藏的暗物质 新研究显示这一理论可以解释许多东西 - {$web_name} 这一理论已然失宠了几十年

霍金：看不见的“原始”黑洞或许是隐藏的暗物质 新探究显示这一理论可以阐释许多东西
（神秘的地球uux.cn报导）据新浪技术（任天）：英国著名物理学家斯蒂芬·霍金提出过一个观点：看不见的“原始”黑洞或许是隐藏的暗物质。这一理论已然失宠了几十年，但一系列新的探究显示，这一理论或许可以阐释许多东西。
黑洞是一种优雅、简洁的官方开箱体验报道天体，但在大众的想象中，它们有时会显得相当可怕。在许多方面，它们就像一个理想的黑体（能吸收整体外来电磁辐射，没有任何反射和透射的物体），使得我们很难估计宇宙中存在多少黑洞，以及它们的大小。所以，2015年9月，当激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的探测器第一次探测到引力波时，的的确确给物理学界带来了惊喜。在此之前，最大的恒星黑洞——大品质恒星引力坍缩后形成的黑洞——的品质大约是太阳的20倍；而这些新察觉的黑洞都有大约30倍太阳品质，这并非不可思议，只是相当奇怪。另外，当LIGO开启并马上着手听闻这类物体相互融合的通讯时，天体物理学家就意识到，一定还有更多的黑洞潜伏在那里，也许远远超过他们的想象。
这些奇怪黑洞的察觉给一个旧观点注入了新的活力，近年来，这种观点已然逐步边缘化。我们得知，最新PlayStation精选垂死的恒星可以形成黑洞，但黑洞或许也能在宇宙大爆炸中诞生。这些“原始”黑洞或许隐藏了起来，并构成了暗物质。毕竟，尽管经过了几十年的探索，探究者依然没有探测到暗物质粒子。或许我们可以大胆地假设，假如黑洞一直就在我们的眼皮底下，状况又会如何？
美国约翰·霍普金斯大学的宇宙学家马克·卡米奥考斯基（Marc Kamionkowski）强调，这的确是一个疯狂的想法，但并不一定比其他观点更疯狂。事实上，探索这方面或许性的论文已然有很多。2016年，卡米奥库斯基所在的探究小组也发表了一篇令人瞩目的论文。
可惜的是，纽约大学天体物理学家亚辛•阿里-海蒙德（Yacine Ali-Haimoud）在2017年发表了一篇论文，对这种类型的黑洞将如何作用LIGO的探测率开展了测试，在此之后，暗物质与原始黑洞的关系着手受到质疑。阿里-海蒙德计算出，假如新生宇宙形成的黑洞足够多，能够阐释暗物质，那么随着时间的推移，这些黑洞将形成双黑洞操控系统，彼此环绕并越来越近，其合并速度乃至比LIGO观测到的合并事情高数千倍。他倡议其他探究人员使用其他方式，官方性价比盘点持续探究这个想法。但许多人失去了期盼。卡米奥考斯基强调，阿里-海蒙德的论点是如此戳中要害，以至于他自己对这个假说的兴趣都被浇灭了。
我们所知的黑洞。2015年之前，所有恒星大小的黑洞都是由射电望远镜察觉的。这些黑洞的品质似乎都局限在20倍太阳品质以下。LIGO当下已然观察到许多更大黑洞的合并事情。假如原始黑洞真的存在，那么其中许多应该就归于品质更大的范畴；余下黑洞的品质则应该小于太阳。
我们所知的黑洞。2015年之前，所有恒星大小的黑洞都是由射电望远镜察觉的。这些黑洞的品质似乎都局限在20倍太阳品质以下。LIGO当下已然观察到许多更大黑洞的合并事情。假如原始黑洞真的存在，那么其中许多应该就归于品质更大的范畴；余下黑洞的品质则应该小于太阳。
但是如今，随着最近一系列论文的发表，原始黑洞的观点似乎又复活了。不久前，法国蒙彼利埃大学的宇宙学家卡尔斯顿·让达齐克（Karsten Jedamzik）在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上发表了新近的探究报表，其中阐述了众多的原始黑洞会如何导致与LIGO观测结局完全吻合的碰撞。“假如他的结局是正确的——看起来他做的是相当认真的计算——那就将给我们的计算画上休止符，”阿里-海蒙德说，“这将意味着它们实际上或许就是所有的暗物质。”他在后续的本周突发折叠屏，登上热搜榜论文中也持续对原始黑洞的观点展开探究。
英国苏塞克斯大学的宇宙学家克里斯蒂安·伯恩斯（Christian Byrnes）强调，这一结局相当令人兴奋，“他比过去任何人都走得更远”。伯恩斯为让达齐克的一些论点提供了合作。
这一论点的最初想法可以追溯到20世纪70年代斯蒂芬·霍金和伯纳德·卡尔（Bernard Carr）的岗位。他们推断，在宇宙最初的几分之一秒内，密度的微小波动或许会赋予某些区域过多的品质。每一个这样的区域都会坍缩成黑洞，而黑洞的大小将由该区域的视界确定。所谓视界，便是以光速可到达的任何点周围的空间。视界内的任何物质都会感受到黑洞的引力并坠入黑洞。霍金的粗略计算表明，假如黑洞的大小超过较小的小行星，那么它们或许仍潜伏在今日的宇宙中。
20世纪90年代获得了更大的进展。那时，理论物理学家们还提出了宇宙暴胀理论，觉得宇宙在大爆炸之后历程了一次极端膨胀。暴胀理论可以阐释最初的密度涨落从何而来。在密度涨落的基础上，物理学家们还考虑了一个沿着坍缩方向开展的核心跃迁。
宇宙刚形成时，其所有的物质和能量都在难以想象的高温等离子体中沸腾。在最初的十万分之一秒左右之后，宇宙冷却了一些，等离子体中的松散夸克和胶子得以结合在一起，形成更重的粒子。当一些闪电般高效运动的粒子被束缚在一起时，压力也随之下降。这或许有助于更多的区域坍缩成黑洞。
但在20世纪90年代，没有人对夸克和胶子流体的物理学有足够的知晓，所以无法精确预测这种转变将如何作用黑洞的形成。理论物理学家还说不清楚原始黑洞的品质应该有多大，或者其数量应该有多少。
另外，宇宙学家似乎并不是真的需要原始黑洞。巡天调研对天空的一小块区域开展了扫描，期盼能找到众多像黑洞一样稠密的暗物体漂浮在银河系的外围，但并没有多少得到。相反，大多数宇宙学家着手相信，暗物质是由极端“不合群”的大品质弱相互作用粒子（WIMP）组成的。这是一种依然停留在理论阶段的粒子，只经由弱核力和引力形成相互作用，基础上不与普通物质发生相互作用。专门建造的WIMP探测器，以及快要启动的大型强子对撞机或许将不久找到它们存在的确凿证据。期盼如此吧。
暗物质的难题看似快要获得革新，并且没有观察结局表明有其他选项，于是，原始黑洞在学术上就成了一潭死水。“一位资深宇宙学家似乎在嘲笑我探究这个，”让达齐克说，“所以我停下了，由于我需要一个永久的职位。”他在这方面的探究兴趣可以追溯到20世纪90年代。
自然，科学家在那之后的几十年里没有察觉WIMP，也没有察觉任何新的粒子（除了很久之前就预测存在的希格斯玻色子）。暗物质谜题的解答依然遥遥无期。
但是，有关或许形成原始黑洞的生态，我们如今得知得更多了。物理学家已然可以计算出宇宙诞生之初的夸克-胶子等离子体如何演化出压力和密度。伯恩斯强调，物理学界花了几十年时间才获得了这些成果。运用这些信息，伯恩斯和马德里自治大学的胡安加西亚-伯利多（Juan García-Bellido）等理论物理学家，在过去几年中发表了一系列论文，预测早期宇宙形成的黑洞或许不只仅只有一种大小，而是有一系列各异的大小。
一着手，夸克和胶子结合在一起形成质子和中子。这导致了压力下降，并或许形成了一组原始的黑洞。随着宇宙持续冷却，π介子等粒子形成，导致另一次压力骤降和或许的黑洞爆炸。
在这两个时期之间，空间本身也在膨胀。最初的黑洞可以从自身周围的视界吸入大约相当于太阳品质的物质。第二轮则或许吸入大约30倍太阳品质的物质，就像LIGO第一次探测到的奇怪物体一样。“引力波拯救了我们，”加西亚-伯利多说道。
2016年，在LIGO团队亮相了探测到第一个引力波后的几周内，原始黑洞假说又复活了。但是第二年，阿里-海蒙德提出了他的观点，觉得原始黑洞会过于频繁地碰撞，这给原始黑洞假说的扶持者带来了巨大的考验。
让达齐克接纳了考验。在哥斯达黎加的一次长假中，他对阿里-海蒙德的说法开展了认真探究。阿里-海蒙德是经由方程开展确认的，但是当让达齐克对同样的难题开展数值模拟时，他察觉了一个转折。
原始黑洞的确会形成双黑洞操控系统，但让达齐克的结论是，在一个充满黑洞的宇宙中，第三个黑洞通常会接近最初的一对黑洞，并与其中的一个黑洞交换位置。这一过程将一再重复。
随着时间的推移，这种从一对黑洞到另一对黑洞的变换会使双黑洞操控系统的轨道差不多变成圆形。这些成对黑洞的碰撞速度会相当慢。即使存在众多的原始黑洞，其合并也不会如此地频繁。这就使全部假设依然符合LIGO观测到的合并率。
2020年6月，让达齐克在网上发表了自己的探究成果，回答了阿里-海蒙德等外界专家提出的难题。他说：“尽一切或许让学术界相信，你不是在胡言乱语，这是相当重大的。”
他还预测，原始黑洞将位于暗星团中，后者的直径大约相当于太阳和最近恒星之间的距离。每一个星团或许都包含了大约1000个挤在一起的黑洞。品质为30个太阳的巨型黑洞将位于中心；更普通的小一些的黑洞则填满剩下的空间。这些星系团会潜伏在天文学家觉得暗物质存在的任何地方。就像星系中的恒星，或者绕太阳旋转的行星一样，每个黑洞的轨道运动将阻止它吞噬另一个黑洞——除非发生一些不寻常的合并事情。
在第二篇论文中，让达齐克精确计算了这些合并事情的少见程度。他计算了LIGO观测到的大黑洞和未观测到的小黑洞（小黑洞会发出微弱而尖锐的通讯，只有在离它很近的地方才能探测到）。“自然，当我一个接一个地得出合并率的正确数值时，我感到相当震惊，”让达齐克说道。
原始黑洞假说的扶持者们还有许多事情要做，才能更具有说服力。大多数物理学家依然相信，暗物质是由某种基础粒子构成的，而这种粒子极其难以探测。另外，假如LIGO探测到的黑洞来自普通恒星，那么它们与我们预期的黑洞并没有太大各异。“这在某种程度上填补了理论中一个实际上并不存在的漏洞，”美国卡耐基梅隆大学的天体物理学家卡尔·罗德里格斯（Carl Rodriguez）说，“一些LIGO光源有些奇怪的地方，但我们可以经由正常的恒星演化过程来阐释当下为止我们所目睹的一切。”
哈佛大学的天体物理学家塞尔玛•德•明克（Selma de Mink）则更为直言不讳，他说：“我觉得天文学家对此可以一笑了之。”他曾提出恒星如何独自形成LIGO所观测到的大型双黑洞操控系统的理论。
依据原始黑洞假说，察觉一个亚太阳品质的黑洞应该是较为普遍的，并且这种黑洞不能由恒星形成。假如这一观点是正确的，那将会改变全部争论。在前方的每一次观测中，随着LIGO灵敏度的提升，它最后要么能察觉这些小型的黑洞，要么将对或许存在的黑洞数量设定严格的限制。“这个假说各异于弦理论，十年或三十年后，我们或许仍在研究弦理论是否正确，”伯恩斯说道。
与此另外，其他天体物理学家也在探索这个理论的各异方面。例如，也许对原始黑洞最强烈的限制来自微引力透镜检索。微引力透镜是20世纪60年代就提出的概念，刻画的是发生在恒星级天体中的引力透镜现象，对这些现象的调研同样着手于20世纪90年代。天文学家经由这些调研监测明亮但遥远的光源，等待暗物体从它们前方经过。持久以来的探究排除了均匀分布的小型黑洞存在的或许性。
但加西亚-伯利多强调，假如原始黑洞以一系列大小各异的品质存在，假如它们被压缩成密集的大品质星团，那以上这些结局或许就没有探究人员想象的那么重大。接下来的观测或许能最后解决这个难题。欧洲空间局最近同意为美国全国航空航天局快要启动的罗曼太空望远镜（原名大视场红外巡天望远镜）提供一项核心的额外特性，这将使它能够开展革新性的微引力透镜探究。
这项特性是在欧洲空间局科学主任冈瑟·哈辛格（Gunther Hasinger）的指令下启动的，他曾提出，原始黑洞可以阐释多个谜团。在哈辛格看来，这是个很吸引人的想法，由于没有引入新的粒子或新的物理理论，而只是重新运用了旧元素。“我相信，也许有些悬而未决的谜题实际上可以自己解决，只要你用各异的眼光看，”他说道。