科学|暗物质可能并非难以观测的粒子，而是诞生自宇宙大爆炸的原初黑洞暗物质|黑洞

选自quantamagazine
作者：Joshua Sokol
机器之心编译
斯蒂芬 · 霍金曾有一个想法：看不见的「原初黑洞」可能是隐藏着的暗物质。这个想法几十年来一直不受关注，但一系列新研究表明，这个理论可能是有效的。

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原初黑洞可能成堆聚集，距离遥远地分散在整个宇宙中。相对较大的黑洞周围环绕着比它们小得多的黑洞。
黑洞就像鲨鱼。大众的想象给予了它们过分的优雅、简洁和恐怖，觉得它们有可能就潜伏在我们周围那些黑暗之处。
黑洞固有的黑暗属性使我们难以估计它们在宇宙中的数量以及大小。因此，当 2015 年 9 月激光干涉引力波天文台（LIGO）的探测器第一次捕捉到涌过的引力波时，人类收获了一个巨大的惊喜。在那之前，已知的最大黑洞的质量大约刚超过太阳质量的 20 倍。而这些新观测到的黑洞的质量每个都约为太阳的 30 倍——这倒不是超乎想象，但却很奇怪。此外，当 LIGO 开始听到这些黑洞的融合之声时，天体物理学家意识到宇宙中潜伏的黑洞肯定比他们之前预想的多。也许要多很多。
这些新发现的样本让一个旧的想法焕发了新的生机，尽管这个想法在过去许多年里都被忽视了。我们知道，大恒星死亡的时候会产生黑洞。但宇宙大爆炸本身也可能会诞生黑洞。根据宇宙规模的经验法则可以想到，许多这样隐藏起来的原初黑洞是由暗物质构成的。毕竟虽然科学家已经找了几十年，但到现在也没找到任何暗物质粒子。要是黑洞这个我们所需的配方就在我们眼皮子底下呢？
「是的，这个想法很疯狂。」约翰斯 · 霍普金斯大学的宇宙学家 Marc Kamionkowski 说，其研究团队曾在 2016 年发布了一篇吸引眼球的论文，对这一可能性进行了探索。「但不一定比其它任何事情更疯狂。」

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已知黑洞的质量图表
不过，对原初黑洞的这方面思考在 2017 年遭遇了挫折。那时候，之前对这一思路持乐观态度的纽约大学天体物理学家 Yacine Ali-Ha?moud 发表了一篇论文，说明了这种类型的黑洞应该会对 LIGO 的检测率产生怎样的影响。他计算发现，如果婴儿宇宙产生了足够多由暗物质构成的黑洞，那么随着时间的推移，这些黑洞将变得以两两成对的形式彼此环绕，越来越近，然后融合，这应该会让 LIGO 的检测率高出现在实际情况的数千倍。虽然他也恳请其他研究者使用其它方法继续研究这一思路，但很多人都失去了希望。Ali-Ha?moud 的论证是如此言之凿凿，甚至让 Kamionkowski 本人对这一假设的兴趣都遭受重创。
但峰回路转，在近期的一波论文之后，原初黑洞思想似乎再次焕发青春。在近期发表于《Journal of Cosmology and Astroparticle Physics》的一篇论文中，蒙彼利埃大学宇宙学家 Karsten Jedamzik 研究表明大量原初黑洞的碰撞模式可以与 LIGO 的观测结果完美匹配。「如果他的计算是正确的——而且看起来他的计算很仔细——那就能为我自己的计算的棺材板钉上最后一颗钉子。」Ali-Ha?moud 说，他也在自己的后续论文中继续探索原初黑洞的思想。「这就意味着事实上这些黑洞可能全由暗物质构成。」
「这个结果激动人心。」帮助启发了 Jedamzik 的一些论证的萨塞克斯大学宇宙学家 Christian Byrnes 说，「他走得比之前任何人都远。」
这一思想最早可以追溯到 1970 年代斯蒂芬 · 霍金和伯纳德 · 卡尔的研究工作。霍金和卡尔推断，在宇宙最初的几分之一秒内，密度的微小波动会让一些幸运——或不幸——的区域拥有太多质量。每个这样的区域都会坍缩为一个黑洞。黑洞的大小由该区域的视界表示。视界之内的任何物质都会陷入黑洞的引力并被吸入其中。霍金进行过粗略的计算，结果表明：如果这些黑洞大于小行星，那么它们今天可能依然潜伏于宇宙之中。
1990 年代出现了更多进展。那时候，理论研究者已经有了宇宙膨胀理论，该理论认为宇宙在大爆炸之后经历了一次暴涨。膨胀可以解释宇宙的初始密度波动从何而来。
除了这些密度波动，物理学家还考虑了可能诱使坍缩发生的关键过渡阶段。
在宇宙诞生之时，其所有物质和能量都以一种不可思议的高热等离子体的形式存在。在大约前百分之一到千分之一秒的时间后，宇宙冷却了一些，这些等离子体开始释放夸克和胶子，而它们可以结合成更重的粒子。当一些光速运动的粒子被束缚到一起之后，压力下降了。这可能会让更多区域坍缩为黑洞。
但在 1990 年代时，还没人充分理解夸克和胶子的物理特性，也就难以准确预测这样的过渡阶段会如何影响黑洞的形成。理论研究者无法说明大型原初黑洞应该是怎样的，也无法估计其数量。
此外，宇宙学家似乎并不真正需要原初黑洞。天文观测希望通过扫描天空来在银河系外围找到一片高密度的隐藏天体之海，其中也许有黑洞之类的天体，但最后并没找到多少。相反，大部分宇宙学家开始相信暗物质是由一种名为 WIMP（大质量弱相互作用粒子）的难以观测的粒子构成的。而且希望还有爆发的趋势，那时候人们相信不管是专门构建的 WIMP 探测器，还是即将建好的大型强子对撞机，都将找到它们存在的确凿证据。