大爆炸留下的小黑洞可能是暗物质的主要嫌疑人

当谈到太初黑洞被怀疑为暗物质时，他们的借口可能就要站不住脚了。宇宙诞生后几秒钟形成的微小黑洞可能会持续比预期更长的时间，这引发了新的怀疑：原始黑洞可能是宇宙中最神秘的物质暗物质的来源。

暗物质是目前物理学中最紧迫的问题之一。这是因为，尽管暗物质约占宇宙物质的 85%，但我们的眼睛仍然看不到暗物质，因为它不与光相互作用。

由于构成我们可以看到的“普通”物体（例如恒星、行星和我们自己的身体）的原子的粒子明显与光相互作用，这促使人们在粒子标准模型之外寻找暗物质粒子物理。许多科学家相信答案仍然存在于标准模型中，然而，如果我们观察宇宙物体的一个较小的表亲，我们通常会认为它们非常巨大，甚至是巨大的：黑洞。

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马克斯·普朗克研究所科学家瓦伦丁·托斯和安娜·费尔南德斯·亚历山大里斯本大学的两名研究人员最近参与了此类研究。他们假设，138 亿多年前，大爆炸之后立即出现的小黑洞，不比质子大，可以在不需要新物理学的情况下凝聚成暗物质嫌疑人。

最近关于黑洞如何“蒸发”的想法发生了变化，不仅导致了对原始黑洞的可行性的重新评估，因为暗物质被怀疑，而且随着对暗物质粒子的搜索继续陷入空白，它可能会开始研究人员正在更认真地研究原始黑洞暗物质理论。

什么是原初黑洞？

“顾名思义，太初黑洞是宇宙诞生之初形成的一种黑洞，”托斯告诉 Space.com。 “实际上，在宇宙的第一分之一秒内。”

他解释说，我们在宇宙中观察到的所有结构，从超星系团到星系内部的星系，都是由宇宙诞生之初存在的空间中稍微过剩的密度形成的。如果早期宇宙经历的密度波动比产生这些特征的密度波动强得多，并且这些波动在星系实际形成之前崩溃，那么这些极其密集的斑点可能会刺激原始黑洞。

托斯补充说，根据塌缩发生的时间以及塌缩的大小，这些原始黑洞将具有非常不同的质量。托斯和费尔南德斯-亚历山大认为，原始黑洞可能是暗物质的候选者，准确地说，它们的质量在几吨到一千吨之间，小于行星的质量，更多地属于小行星的范畴。小行星。

显示宇宙膨胀历史的图表。太初黑洞很可能是由第一批恒星出现之前的密度波动产生的。（图片来源：NASA 科学团队/WMAP/Dana Berry 艺术）

鉴于科学家迄今为止发现的最小黑洞（称为恒星质量黑洞）的质量相当于太阳质量的 3 到 50 倍，而太阳质量本身就是 2.2 乘以 10 的 27 次方（22 后面跟着 26））。（零）吨 – 这些原始黑洞非常小。

根据费尔南德斯-亚历山大的说法，与由大质量恒星坍塌或相对较小的黑洞合并形成的较大黑洞对应物一样，原始黑洞也有一个称为事件视界的捕光外边界。该视界的直径由黑洞的质量决定，这意味着在这种情况下事件视界将非常小。 “比质子的半径还小，”费尔南德斯-亚历山大说。

黑洞的解剖。无论大小如何，所有黑洞都有事件视界。（图片来源：ESO）

小型原初黑洞此前被排除为暗物质的候选者，因为所有黑洞都被认为会“泄漏”一种热辐射，这种热辐射是由斯蒂芬·霍金于 1974 年首次提出的假设，后来被称为“霍金辐射”。

黑洞越小，霍金辐射逃逸的速度就越快，因此蒸发的速度也就越快。这意味着，如果太初黑洞确实存在，那么最小的例子今天就不应该存在，但暗物质显然存在。

托斯说：“安娜和我现在正在研究的具有如此质量的原始黑洞以前被认为是不可能的，因为人们认为它们此时在宇宙中已经完全蒸发了。”

然而，慕尼黑大学理论物理学家 György Dvali 最近与托斯和费尔南德斯-亚历山大合作的研究表明，蒸发过程在某个时刻会崩溃。这意味着科学家认为具有质量的原始黑洞可以达到准稳态。

“为了通过发射霍金辐射来减少其质量，黑洞必须重写其信息或其他东西。而这个重写过程需要时间，”费尔南德斯-亚历山大解释道。 “这被称为‘记忆负担’，因为记忆现在必须转移到其他事情上，这会减慢整体蒸发过程。所以这是一种稳定。”

这种“救援机制”意味着太初黑洞又重新成为暗物质的潜在候选者！

暗物质的死胡同？

然而，今天宇宙中存在原始黑洞这一事实并不立即意味着它们应该被视为暗物质嫌疑人。事实上，还有其他原因将这些假设的小黑洞与宇宙的神秘物质含量联系起来。

也许最明显的联系是暗物质不与光相互作用。暗物质不会发射或反射光，所有黑洞边界的事件视界标志着逃逸速度需要超过光速的点。这意味着太初黑洞会“捕获”所有入射光，导致明显缺乏相互作用。

托斯说：“如果它们足够轻，那么在行星质量周围的某个地方，原始黑洞的行为就像暗物质粒子一样，符合我们关心的所有目的。” “在标准模型中，暗物质是‘无碰撞’的，因此暗物质粒子之间的相互作用不会达到影响宇宙的程度。”

他补充说，如果原始黑洞比行星质量轻，那么即使在宇宙时间尺度上，它们也会很小，以至于很少发生碰撞。这些原始黑洞可以结合起来产生我们目前归因于暗物质的引力效应，例如提供引力影响，防止快速旋转的星系被吹走。

暗物质云的插图。这真的是黑洞簇吗？（图片来源：/U.Arizona/D.Clowe 等）

然而，如果原始黑洞必须聚集来解释暗物质的影响，那么什么会阻止这些黑洞聚集在一起并合并形成更大的黑洞呢？一堆微小的黑洞最终不会变成一个超大质量的黑洞吗？对此进行了调查，答案很简单：“不，”托斯说。

“即使考虑到聚集，合并时间尺度也很长，以至于它们在宇宙的整个生命周期中只会合并成非常巨大的黑洞，”他继续说道。

托斯补充说，使用原初黑洞作为暗物质解释的美妙之处在于，与提出像轴这样的假设粒子来解释这个谜题不同，原初黑洞不需要粒子物理学标准模型的扩展。我们对宇宙最好的解释是在亚原子尺度上。

然而，如果它们确实解释了这种现象，那么将很难确认原始黑洞是暗物质。同样，它们的捕光特性意味着它们实际上是不可见的。此外，由于尺寸如此之小，它们不像它们的恒星和超大质量兄弟那样具有巨大的引力效应。

即便如此，如果发现了一组原始黑洞，也没有真正的方法来区分许多小黑洞和一个大黑洞。

尽管存在这样的困难，托斯和费尔南德斯-亚历山大仍打算留在原初黑洞的尾部——至少在理论上是这样。如果暗物质候选者继续未能出现，也许答案是促使更多的物理学家开始研究粒子物理学和宇宙学之间的隐喻围栏。

费尔南德斯-亚历山大说：“我不能说太初黑洞曾经被排除在暗物质候选者之外，但它们已经被忽视了一段时间。” “现在，事实上我们还没有真正检测到粒子暗物质，我认为考虑这个选项变得越来越合适。”

Shao Shuang

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