原始黑洞可能是暗物质吗？
黑洞是优雅而简单的天体，但在大众的想象中，它们有时会显得非常可怕。在许多方面，它们就像一个理想的黑体(可以吸收所有外部电磁辐射，而没有任何反射和透射的物体)，让我们很难估计宇宙中存在多少黑洞以及它们的大小。因此，2065438+2005年9月，当激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的探测器首次探测到引力波时，确实给物理学界带来了惊喜。在此之前，最大的恒星黑洞——大质量恒星引力坍缩后形成的黑洞——质量约为太阳的20倍；这些新发现的黑洞，质量都是太阳的30倍左右，这不是不可思议，而是非常奇怪。此外，当LIGO开始并立即开始听到这种物体融合的信号时，天体物理学家意识到那里肯定潜伏着更多的黑洞，也许远远超出他们的想象。
这些奇特黑洞的发现，为一个近年来逐渐被边缘化的旧观点注入了新的活力。我们知道垂死的恒星会产生黑洞，但黑洞也可能诞生于BIGBANG。这些“原始”黑洞可能隐藏着，构成暗物质。毕竟，尽管经过几十年的探索，研究人员还没有探测到暗物质粒子。或许我们可以大胆假设，如果黑洞一直在我们眼皮底下会发生什么？
美国约翰·霍普金斯大学宇宙学家马克·卡米奥表示，这确实是一个疯狂的想法，但并不一定比其他观点更疯狂。其实已经有很多论文在探索这种可能性了。2016，Kamiokusky的研究组也发表了一篇令人瞩目的论文。
不幸的是，纽约大学天体物理学家亚辛？Yacine Ali-Haimoud在2017发表了一篇论文，研究了这种类型的黑洞会如何影响LIGO的探测率。之后暗物质和原始黑洞的关系开始受到质疑。阿里-何孟德计算出，如果新宇宙中有足够多的黑洞来解释暗物质，那么随着时间的推移，这些黑洞将形成一个双黑洞系统，它们将相互环绕，越来越近，合并速度甚至将比LIGO观测到的合并事件高出数千倍。他呼吁其他研究人员继续以其他方式研究这个想法。但是许多人失去了希望。卡米奥·考斯基指出，阿里-何孟德的论点如此引人注目，以至于他自己对这一假设的兴趣被浇灭了。
然而现在，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，法国蒙彼利埃大学宇宙学家Carleston Dacik在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》上发表了最新研究报告，他在报告中解释了大量原始黑洞如何导致与LIGO观测完全一致的碰撞。“如果他的结果是正确的——看起来他做了相当仔细的计算——这将阻止我们的计算，”阿里·何孟德说。"这将意味着它们可能实际上都是暗物质."在他随后的论文中，他还继续研究了原始黑洞的观点。
英国苏塞克斯大学宇宙学家克里斯蒂安·伯恩斯(Christian Byrnes)表示，这一结果非常令人兴奋。"他比以往任何人都走得更远。"伯恩斯帮助达契克提出了一些观点。
这一论点的最初想法可以追溯到斯蒂芬·霍金和伯纳德·卡尔在20世纪70年代的工作。他们推断，在宇宙的最初几秒钟，密度的微小波动可能会赋予某些区域过多的质量。每个这样的区域都会坍缩成一个黑洞，黑洞的大小将由该区域的视界决定。所谓视界，就是以光速可以到达的任何一点周围的空间。视界里的任何东西都会感受到黑洞的引力而掉进去了。霍金的粗略计算表明，如果黑洞比更小的小行星大，它们可能仍然潜伏在今天的宇宙中。
20世纪90年代取得了巨大进步。当时的理论物理学家也提出了宇宙暴胀理论，认为宇宙在大爆炸后经历了一次极端的膨胀。暴胀理论可以解释最初的密度波动从何而来。在密度涨落的基础上，物理学家还考虑了沿着坍缩方向的一个关键转变。
宇宙刚形成的时候，它所有的物质和能量都在难以想象的高温等离子体中沸腾。在第一个十万分之一秒后，宇宙稍微冷却下来，等离子体中的松散夸克和胶子结合形成更重的粒子。当一些闪电般快速移动的粒子被束缚在一起时，压力也会下降。这可能有助于更多的区域坍缩成黑洞。
然而，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了解，因此无法准确预测这种转变将如何影响黑洞的形成。理论物理学家仍然不知道原始黑洞的质量应该有多大，或者应该有多少。
此外，宇宙学家似乎并不真的需要原始黑洞。巡天扫描了一小块天空区域，希望发现大量像黑洞一样密集的黑暗物体漂浮在星系外围，但收获不多。相反，大部分宇宙学家开始相信暗物质是由极其“不合群”的大质量弱相互作用粒子(WIMP)组成的。这是一种还停留在理论阶段的粒子，只通过弱核力和引力相互作用，基本不与普通物质相互作用。专门建造的WIMP探测器和即将发射的大型强子对撞机可能很快就会找到它们存在的确凿证据。我希望如此。
暗物质的问题似乎即将有所突破，没有观测到有其他选项，于是原始黑洞成了学术的一潭死水。“一位资深宇宙学家似乎在嘲笑我研究这个，”让·达契克说。"所以我停下来，因为我需要一个永久的位置."他对这一领域的研究兴趣可以追溯到20世纪90年代。
当然，在那之后的几十年里，科学家并没有发现WIMP或者任何新的粒子(除了很久以前就被预言的希格斯玻色子)。暗物质之谜的解决仍然遥遥无期。
然而，我们现在对可能产生原始黑洞的环境有了更多的了解。物理学家已经能够计算出宇宙开始时夸克-胶子等离子体是如何演化出压力和密度的。伯恩斯说，物理学花了几十年才取得这些成果。利用这些信息，马德里自治大学的Burns和Juan García-Bellido等理论物理学家在过去几年中发表了一系列论文，预测早期宇宙中的黑洞可能不仅只有一种尺寸，而是一系列不同的尺寸。
起初，夸克和胶子结合形成质子和中子。这导致压力下降，并可能产生了一组原始黑洞。随着宇宙继续冷却，π介子等粒子形成，导致另一次压力下降，并可能发生黑洞爆炸。
在这两个时期之间，空间本身也在膨胀。最初的黑洞可以从它周围的视界吸收大约相当于太阳质量的东西。第二轮可能吸入大约30倍太阳质量的物质，就像LIGO首次探测到的奇怪物体一样。“引力波救了我们，”加西亚-贝雷多说。
2016年，在LIGO团队宣布探测到第一个引力波后的几周内，最初的黑洞假说又复活了。但第二年，阿里·何孟德提出了他的观点，认为原始黑洞会过于频繁地碰撞，这给原始黑洞假说的支持者带来了巨大的挑战。
让达契克接受挑战。在哥斯达黎加的一次长假期间，他仔细研究了阿里·何孟德的声明。阿里-何孟德通过方程分析了这个问题，但当达契克被要求用数值模拟同样的问题时，他发现了一个转折点。
原始黑洞确实形成了双黑洞系统，但让达契克得出结论，在一个充满黑洞的宇宙中，第三个黑洞通常会靠近第一对黑洞，并与其中一个交换位置。这个过程会一次又一次的重复。
随着时间的推移，这种从一对黑洞到另一对黑洞的转化，会使双黑洞系统的轨道近乎圆形。这些黑洞对会非常缓慢地碰撞。即使存在大量的原始黑洞，它们的合并也不会那么频繁。这使得整个假说仍然符合LIGO观察到的合并率。
2020年6月，让·达契克在互联网上公布了他的研究成果，并回答了阿里·何孟德等外部专家提出的问题。他说:“尽一切可能让学术界相信你不是在胡说八道，这一点非常重要。”
他还预测，原来的黑洞将位于一个黑暗星团中，其直径大约与太阳和最近恒星之间的距离相同。每个星团可能包含大约1000个拥挤的黑洞。一个质量相当于30个太阳的巨型黑洞将位于中心；更多普通的更小的黑洞填充了剩余的空间。这些星系团将潜伏在天文学家认为暗物质存在的任何地方。就像星系中的一颗恒星，或者一颗围绕太阳旋转的行星，每个黑洞的轨道运动都会阻止它吞噬另一个黑洞——除非发生不寻常的事情。
在第二篇论文中，让达契克精确计算这些合并事件的稀有度。他计算了LIGO观测到的大黑洞和没有观测到的小黑洞(小黑洞会发出微弱而尖锐的信号，只有非常靠近它才能探测到)。“当然，当我逐一得出合并率的正确数值时，我感到震惊，”让·达契克说。
最初的黑洞假说的支持者仍然需要做很多工作才能更有说服力。大多数物理学家仍然认为暗物质是由某种基本粒子组成的，这种粒子极难被探测到。此外，如果LIGO探测到的黑洞来自普通恒星，它们与我们预期的黑洞没有太大区别。“在某种程度上，这填补了理论中一个实际上并不存在的漏洞，”美国卡内基梅隆大学天体物理学家卡尔·罗德里格斯说。“有些LIGO光源很奇怪，但我们可以通过恒星演化的正常过程来解释迄今为止看到的一切。”
哈佛大学天体物理学家塞尔玛？德？塞尔玛·明克甚至更直言不讳地说:“我认为天文学家可以一笑置之。”他曾经提出了LIGO观测到的恒星如何单独形成大型双黑洞系统的理论。
根据最初的黑洞假说，发现亚太阳质量的黑洞应该是常见的，而这个黑洞不可能是恒星形成的。如果这种观点是正确的，它将改变整个辩论。在未来的每一次观测中，随着LIGO灵敏度的提高，它最终会发现这些小黑洞，或者对可能存在的黑洞数量进行严格限制。“这个假设不同于弦理论。十年或三十年后，我们可能仍在讨论弦理论是否正确，”伯恩斯说。
与此同时，其他天体物理学家正在探索这一理论的不同方面。例如，对原始黑洞最强的限制可能来自引力微透镜搜索。引力微透镜是在20世纪60年代提出的，描述了恒星级天体中的引力透镜现象，对这些现象的研究也始于90年代。天文学家通过这些巡天监测明亮但遥远的光源，等待黑暗的物体从他们面前经过。长期的研究已经排除了均匀分布的小黑洞的可能性。
但加西亚-贝雷多表示，如果原始黑洞存在于一系列不同大小的质量中，如果它们被压缩成致密的大质量星团，这些结果可能没有研究人员想象的那么重要。接下来的观察可能会最终解决这个问题。欧洲航天局最近同意为美国国家航空航天局即将推出的罗马太空望远镜(以前称为大视场红外巡天望远镜)提供一项关键的额外功能，这将使其能够进行开创性的引力微透镜研究。
这一功能是在欧洲航天局科学主任冈瑟·哈辛格的指导下引入的，他提出原始黑洞可以解释许多奥秘。在哈辛格看来，这是一个非常吸引人的想法，因为没有引入新的粒子或新的物理理论，只是重用了旧的元素。“我相信，也许一些未解之谜实际上可以由你自己解决，只要你以不同的眼光看待它们，”他说。(任天)