如果大爆炸创造了微型黑洞，它们位于哪里？

寻找大爆炸留下的失踪迷你黑洞的工作可能即将加强。

就在这种小型黑洞的轨迹似乎变得冷淡之际，一个国际科学家小组在量子物理学中发现了可以重新审理此案的证据。寻找所谓的原初黑洞迫在眉睫的原因之一是它们已被提议作为暗物质的潜在候选者。

暗物质占宇宙质量的 85%，但它不像日常物质那样与光相互作用。这是构成恒星、行星、卫星和我们身体的原子成分。然而，暗物质与引力相互作用，这种效应可能会发生影响 “普通物质”和光。非常适合宇宙侦探工作。

如果大爆炸产生的黑洞确实存在，它们会非常小——有些小到一毛钱——因此质量相当于小行星或行星的质量。然而，与较大的黑洞一样，恒星质量黑洞可以是太阳质量的10到100倍，超大质量黑洞可以是太阳质量的数百万甚至数十亿倍，以及迷你黑洞太阳的。时间的黎明将被称为事件视界的捕光表面所包围。事件视界阻止黑洞发射或反射光，使小型原初黑洞成为暗物质的有力候选者。它们可能小到没有人会注意到，但强大到足以影响太空。

有关的： 大爆炸留下的小黑洞可能是暗物质的主要嫌疑人

来自东京大学早期宇宙研究中心 (RESCEU) 和卡维里宇宙物理与数学研究所 (Kavli IPMU, WPI) 的科学家团队应用了结合了经典场论和爱因斯坦自己的理论。相对论和量子力学到早期宇宙。后者解释了电子和夸克等粒子的行为，并引出了所谓的量子场论（QFT）。

将 QFT 应用于新生宇宙使团队相信宇宙中假设的原始黑洞比许多模型目前估计的要少得多。如果真是这样，那就完全排除了原初黑洞作为暗物质的存在。

东京大学研究生贾森·克里斯蒂安诺（Jason Christiano）表示：“我们称它们为原初黑洞，许多研究人员认为它们是暗物质的有力候选者，但必须有很多这样的黑洞才能满足这一理论。” 他在一份声明中说。 “由于最近引力波天文学的创新，人们发现了双黑洞合并，这也可以解释是否存在大量原始黑洞。

“但是，尽管有这些强有力的理由来预测它们的丰富程度，但我们还没有直接看到它们中的任何一个，现在我们有一个模型可以解释为什么会发生这种情况。”

回到大爆炸寻找太初黑洞

宇宙学中最受欢迎的模型表明，宇宙始于大约 138 亿年前的快速膨胀初期：大爆炸。

在最初的膨胀过程中，宇宙中出现了第一个粒子后，空间最终变得足够冷，允许电子和质子结合并形成第一个原子。就在那时，氢元素诞生了。此外，在这种冷却发生之前，光无法穿过宇宙。这是因为电子不断地散射光子，光子是光的粒子。因此，在黑暗时代，宇宙本质上是黑暗的。

上面是我们目前对宇宙历史的理解，时间从左向右移动。（图片来源：哈勃太空望远镜科学研究所）

然而，一旦自由电子与质子结合并停止弹跳，光终于能够自由传播。在这一被称为“最后散射”的事件之后，以及在随后被称为“再电离时代”的时期，宇宙立即变得对光透明。时至今日，我们仍然可以看到当时照射到宇宙的第一道光是一个基本均匀的辐射场，一种被称为宇宙微波背景辐射（CMB）的全球“化石”。

与此同时，产生的氢原子继续形成第一批恒星、第一批星系和第一批星系团。当然，一些星系的质量似乎比其可见成分所能解释的还要大，而这种过量的现象完全归因于暗物质。

普朗克望远镜拍摄的宇宙微波背景图像显示出微小的差异，可以为宇宙学家揭示（图片来源：欧空局和普朗克合作）

虽然恒星质量黑洞是由大质量恒星的坍缩和死亡形成的，超大质量黑洞是由较小黑洞的连续合并而形成的，但原始黑洞早于恒星，因此它们必须有一个独特的起源。

一些科学家认为，在炎热、致密的早期宇宙中，较小的物质块可能会在自身引力作用下塌陷，从而产生这些微小的黑洞，其事件视界不比一毛钱宽，或者可能比质子还小，取决于。阻止他们。

这项研究背后的团队此前曾研究过早期宇宙中的原始黑洞模型，但这些模型未能与宇宙微波背景观测相吻合。为了纠正这个问题，科学家们对原始黑洞形成的主要理论进行了修正。 QFT 报告的更正。

显示超大质量黑洞和假设的原初黑洞之间尺寸巨大差异的图表（图片来源：Robert Lea（使用 Canva 创建））

“一开始，宇宙非常小，远小于单个原子的大小。宇宙膨胀迅速扩大了 25 个数量级，”Kavli IPMU 和 RESCEU 主任 Jun'ichi Yokoyama 在声明中表示。 “那时，穿过如此小的空间的波具有相对较大的振幅，但波长却很短。”

研究小组发现，这些小而强大的波可以经过放大，变成更大、更长的波，这就是天文学家在当前宇宙微波背景中看到的。研究小组认为这种放大是早期短波之间相干性的结果，这可以用 QFT 来解释。

横山说：“虽然单个短波相对无力，但有凝聚力的群体将有能力重新形成比自身大得多的波浪。” “这是一个罕见的例子，在一个极端范围内的某种理论似乎可以解释在范围另一端的某些东西。”

早期宇宙的涨落产生了原始黑洞（图片来源：欧空局/普朗克合作，由 Jason Christiano 编辑）

如果该团队关于宇宙早期小尺度波动可能增长并影响宇宙微波背景大规模波动的理论是正确的，那么这将影响宇宙结构的增长方式。测量宇宙微波背景波动有助于限制早期宇宙原始波动的幅度。这反过来又限制了依赖较短波动的现象，例如原初黑洞。

克里斯蒂安诺说：“人们普遍认为，早期宇宙中短而强大的波长的崩溃导致了原始黑洞的产生。” “我们的研究表明，如果原始黑洞确实是暗物质或引力波事件的有力候选者，那么它们的数量应该比需要的少得多。”

原始黑洞目前已被证实的假设。这是因为恒星质量黑洞的捕光特性使得人们很难看到这些较大的物体，所以想象一下，发现一个事件视界只有一毛钱大小的黑洞会有多困难。

发现太初黑洞的关键可能不在于“传统天文学”，而在于测量时空中称为引力波的微小涟漪。虽然当前的引力波探测器不够灵敏，无法探测到由原始黑洞碰撞引起的时空波纹，但激光干涉仪空间天线（LISA）等未来项目将把引力波探测带入太空。这可能有助于证实或否定该团队的理论，使科学家们更接近确认原始黑洞是否可能对暗物质负责。

该团队的研究成果于周三（5 月 29 日）发表在《物理评论快报》杂志上。

Shao Shuang

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