原初黑洞與暗物質有關嗎

都芃

原初黑洞理論自提出至今已有50余年，在很長一段時間內，天文學界對于原初黑洞的研究進展緩慢，直至近年來研究者開始將原初黑洞與宇宙學中的另一大“流量擔當”——暗物質緊密聯系起來，才使得原初黑洞理論研究再一次受到重視。

英國杜倫大學3月29日宣布，由該校牽頭的一項研究利用引力透鏡效應發現了一個超大黑洞，其質量約為太陽質量的300億倍。

這一研究將黑洞再一次帶到了人們面前。在龐大的黑洞家族中，還存在一類十分特殊的黑洞，它們被認為誕生于宇宙的“遠古時期”，故被稱為原初黑洞。此前，曾有研究者大膽提出，原初黑洞或許與宇宙的另一大“未解之謎”暗物質之間有著千絲萬縷的聯系，原初黑洞可能正是人類苦苦尋找的暗物質的主要來源。

那么，事實果真如此嗎？

一般而言，黑洞是由壽終正寢的大質量恒星坍縮而成的。恒星坍縮后形成的致密天體具有強大的引力，甚至能夠將光束縛住，故而得名黑洞。由于需要恒星作為“原材料”，通常認知中的黑洞只能形成在宇宙第一批恒星死亡之后，約為大爆炸后的一億年。

但原初黑洞則不同，作為黑洞中的“早產兒”，它的形成不依賴恒星，它們的出生日期要比恒星更早。蘇聯理論天體物理學家澤爾多維奇等人在上世紀60年代便提出了原初黑洞的設想。此后，霍金等人也對該設想進行了進一步發展，他們認為在宇宙大爆炸剛發生不久時，宇宙中充斥著各種粒子，但宇宙中各區域的密度并不一致，存在一定程度的密度波動，其中密度較高的區域便可能直接坍縮形成黑洞。中國科學技術大學物理學院天文學系教授蔡一夫表示，通過這種機制產生的黑洞質量分布范圍極廣，從小于1克到數百萬倍太陽質量都有可能。

雖然無法直接證明原初黑洞的存在，但越來越多的觀測事實在為原初黑洞理論添磚加瓦。目前人類已能夠在很早期的宇宙中觀測到質量在數百萬倍甚至數億倍太陽質量的黑洞，而現有的黑洞形成理論無法解釋這些超大質量黑洞的形成。“如果是恒星死亡產生的黑洞，其質量范圍大約只在3倍到數百倍太陽質量之間，即使考慮到吸積過程和并合的可能，其距離產生超大質量黑洞也還很遙遠。”蔡一夫團隊碩士研究生馬瀟漢表示。不僅如此，通過近年來的引力波觀測數據，研究者逐漸發現，當下已經觀測到的黑洞的質量分布與傳統理論有所出入，而原初黑洞理論則可以很好地解釋相關現象。

原初黑洞理論自提出至今已有50余年，在很長一段時間內，天文學界對于原初黑洞的研究進展緩慢，直至近年來研究者開始將原初黑洞與宇宙學中的另一大“流量擔當”——暗物質緊密聯系起來，才使得原初黑洞理論研究再一次受到重視。

目前的觀測結果表明，宇宙當中有95%的物質我們知之甚少，我們接觸到的物質，即天文學中所說的重子物質只占總物質的5%。在那些我們所不了解的物質中，為星系形成提供引力幫助的暗物質就占據了整個宇宙的約25%。因此，我們完全有理由認為暗物質世界也是一個十分豐富的世界。但暗物質究竟是什么，沒有人能給出確切答案。“我們目前只能通過引力效應推測暗物質的存在。”蔡一夫表示。而科學家之所以將原初黑洞列為暗物質的候選者之一，主要原因在于原初黑洞形成于元素合成之前，它可以被歸類為非重子物質，并且其動力學性質與暗物質相似。此外，如果用原初黑洞來解釋暗物質，也不需要引入超出標準模型的新粒子。

原初黑洞構成全部的暗物質，這個想法聽起來十分大膽，因此自提出后便有不少研究者從各個角度對這一問題進行深入探究。

此前，大量的引力波觀測數據表明，恒星級質量的原初黑洞構成暗物質的可能性微乎其微。于是有研究者提出，恒星級質量的原初黑洞如果是以成團的方式存在，它們或許就能夠通過一些相互作用來改變它們之間的并合率，顯著增加它們構成暗物質的可能性，同時也會使其躲過人類現有的微引力透鏡觀測。但不久前，發表于《物理學評論快報》上的一項研究也指出帶有成團特性的恒星級質量的原初黑洞依然不可能是暗物質的全部構成。

馬瀟漢介紹，由于宇宙中存在紅移效應，遙遠天體的光線在到達地球時，其波長會發生紅移。遙遠的星系和類星體發出的光在穿越宇宙時，會被不同距離的中性氫氣體進行部分吸收，這體現在光譜上便是密集且不規則的吸收坑，就像是密密麻麻的森林，因此這種現象被稱為萊曼α森林。這種方法可以用來探測宇宙中氣體的分布，而暗物質作為宇宙中結構形成的幫手，與氣體的分布緊密相關，因此萊曼α森林便可以用來幫助我們了解暗物質的分布情況。

據此，研究團隊設置了兩個約束條件，并將先前天文觀測所設定的微透鏡約束與被稱為萊曼α森林的數據相結合，通過對這兩方面數據的深入分析、對比，研究人員發現，如果恒星級質量的原初黑洞真的規避了現有的微引力透鏡觀測，那么其應該是弱成團，而非強成團，這與此前的觀點相互矛盾。因此，研究者認為，恒星級質量的原初黑洞不可能通過增強成團特性來規避現有約束，使其成為暗物質候選體之一。

研究中提到的微引力透鏡是一種天文觀測手段。其基本原理是，基于廣義相對論，光線會因為大質量天體而產生彎曲，類似于透鏡對于光線的作用。而如果在我們和極其遙遠的發光天體之間存在一些致密的引力源，它們的引力場便會像透鏡一樣使得我們接收到的光線強度產生相應變化。于是微引力透鏡很自然地被用來搜尋引力巨大的黑洞，甚至是其他恒星系統的行星。

但蔡一夫也表示，這一論點雖然在某個維度上降低了原初黑洞作為暗物質構成這一理論的生存空間，但實則其也有相當多的限制條件，“換句話說，任何一個限制條件的破壞，都可能導致這一結論的不成立。”

雖然最新研究對于原初黑洞是暗物質的可能性，給出了不那么樂觀的結論，但其并沒有完全否定恒星級質量的原初黑洞作為暗物質候選者之一的可能性。馬瀟漢介紹，在原初黑洞的研究領域中，有這樣一張圖表，縱軸是原初黑洞可能占暗物質的比例，橫軸是原初黑洞的質量。雖然目前已經有一些質量范圍內的原初黑洞不能構成暗物質，但仍還有一些質量范圍內的原初黑洞有可能是構成暗物質的重要部分。

“一個科學理論是不能夠被完全證實的，我們只能夠證偽。”蔡一夫認為，即使我們確實找到了質量很小的黑洞，比如小于兩倍太陽質量的黑洞，那也只能說明在現有的理論框架下我們發現了一個不是由于恒星死亡而產生的黑洞。雖然它非常有可能就是原初黑洞，但這距離能夠完全證實原初黑洞理論還有一定的距離。

當然，如果未來我們擁有更強大的觀測能力，能夠在極早的宇宙中發現輻射物質直接坍縮形成黑洞的跡象，那么或許我們便可以聲稱我們真正看到了原初黑洞的誕生。可以確定的是，未來借助激光干涉引力波天文臺（LIGO）和我國“天琴”等引力波觀測項目，以及引力透鏡、伽馬射線、X射線、紫外線、射電等觀測手段，我們有望豐富人類對“黑洞動物園”的了解，能夠看到那些正在“進食”或是“沉睡”的黑洞，這些都將幫助我們了解黑洞的形成和演化，也將幫助我們深刻理解暗物質和黑洞之間的聯系。