從“小宇宙”中尋找原始黑洞和暗物質

2020年諾貝爾物理學獎頒給了三位對黑洞研究有重要貢獻的科學家。這之后不久，又有新的關于黑洞的研究發現登上科學雜志，科學家發現，宇宙膨脹過程中形成的“小宇宙”，很可能孕育了最原始的黑洞。

這一系列研究由東京大學科維理宇宙物理學與數學研究所（Kavli IPMU）的多名成員合作完成，日前，該機構在官網刊文介紹了相關研究始末。

暗物質被視為宇宙的主要組成，人們觀測到的引力波信號、在銀河系或其他星系中心發現的超大黑洞或許都源于暗物質。而在原始恒星和星系誕生前，早期宇宙中就有黑洞形成，這些原始黑洞很可能是暗物質的重要構成。

為了研究原始黑洞，來自Kavli IPMU的粒子物理學家、宇宙學家和天文學家組成研究團隊，從宇宙早期演化入手，尋找利于黑洞形成的條件。

按宇宙膨脹論，在宇宙膨脹這一快速擴張的階段，早期星系和星團開始演化，與此同時，許多“小宇宙”應運而生，這些真空氣泡很可能是不同于我們現存宇宙的存在，它最終會崩潰，但相對較小的體積釋放出的巨大能量很可能導致黑洞的產生。

對體量更大的小宇宙而言，如果其大小處于某個臨界值，按照相對論，小宇宙可從內外兩種角度觀察。若在其內部，觀察者就可將其視為正在擴張的宇宙，若在其外部，觀察者就可將其視為黑洞。無論何種角度，研究者都可將小宇宙視為黑洞產生的雛形，它將多個宇宙的基本結構隱藏在事件視界之后。

事件視界是一種邊界，視界內發生的事無法對視界外產生影響，黑洞的周邊即為事件視界，這里的逃逸速度大于光速，因此任何物體（即便是光線）也無法逃離。

此前，研究小組就曾在期刊上介紹原始黑洞觀測的候選事件。在科學雜志上，研究團隊描述了原始黑洞形成的一種新的可能。

研究小組用位于夏威夷的昴宿星團望遠鏡及其搭載的第二代超廣角主焦點照相機（Hyper Suprime-Cam，HSC）展示了多個小宇宙場景中的觀測數據。如果一個原始黑洞穿過恒星星系，抵達一顆望遠鏡視線內的恒星，黑洞引力會使光線彎曲，并使該恒星在短時間內比往常更亮。根據恒星變亮的持續時間，可以測算出黑洞質量。借助HSC，人類有能力同時觀測上億的恒星，從而“廣撒網”，找尋那些正在穿越星系的原始黑洞。

目前，研究團隊正在展開新一輪觀察、擴大搜索范圍，以進一步驗證相關結論。

研究團隊還展示了HSC的觀測數據，其中一些觀測對象與LIGO觀察到的重黑洞和超大質量黑洞的雛形重合。

一系列數值研究表明，如果能確定HSC的觀測對象是暗物質的主要來源，那么進一步的光學勘測及研究可為原始黑洞的形成機制提供更多論據。