自首次直接探测以来近五年，引力波已成为天文学中最热门的话题之一。借助激光干涉引力波天文台 (LIGO) 等设施，研究人员主要利用时空中的这些涟漪来研究合并黑洞的内部运作，但 LIGO 也探测到了来自其他类型天体碰撞的引力波，例如超高密度恒星残骸（称为中子星）的碰撞。然而，有时 LIGO 提供的引力波会让天文学家挠头——例如去年四月探测到的事件 GW190425，该事件最近被归因于中子星合并。
问题是 LIGO 的数据表明这对中子星的质量明显超重——总共约为太阳质量的 3.4 倍，比有史以来观测到的质量最大的中子星双星还要重半个太阳质量。“这是已知最重的，而且幅度相当大，”宾夕法尼亚州立大学的天体物理学家查德·汉纳说，他专门研究引力波。
额外的重量让一些理论家怀疑 GW190425 并非完全来自碰撞的中子星，而是来自更奇异的东西：两个原初黑洞 (PBH) 的合并，这是以前从未见过的物体，被认为是暗物质（构成宇宙中大部分物质的不可见的、未被识别的东西）的冷门候选者。据推测，这些古老的黑洞是由早期宇宙中密度波动形成的，它们可能至今仍然存在，并可以解释最近 LIGO 观测中发现的质量差异。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
大约半个世纪前，宇宙学家斯蒂芬·霍金提出，PBH 可能完全由早期宇宙中物质密度特别高的区域形成。从那时起，这个想法在天体物理学家和宇宙学家中的受欢迎程度急剧上升和下降。今天，在缺乏直接证据证明其存在的情况下，许多研究人员将 PBH 视为最后手段的假设，仅在没有其他情景能够轻易符合观测结果时才考虑。然而，PBH 是真实存在且在宇宙中广泛存在的可能性还不能被排除，尤其是在对其他暗物质候选者的搜索一无所获的情况下。
PBH 成为暗物质的吸引人的候选者有几个原因，但最重要的原因是，作为黑洞，它们非常暗，但仍然具有强大的引力。尽管如此，汉纳表示，如果 PBH 足够丰富以至于可以解释宇宙中所有的暗物质，那么寻找它们的 астрономические обзоры 就不应该一无所获。因此，他补充说，PBH 只能构成暗物质的一小部分——如果它们真的存在的话。
并非所有人都同意。“原初黑洞可以构成全部暗物质，”马德里自治大学的理论宇宙学家胡安·加西亚-贝利多说。他补充说，诀窍在于让这些古老物体表现出一系列质量，而不是单一的确定尺寸。如果 PBH 的范围从比太阳质量小一千倍到大十亿倍不等，它们就可以构成所有宇宙的暗物质。“所有声称排除原初黑洞作为暗物质的已发表约束都假设它们以单色或单质量谱存在，并且在空间中均匀分布，”加西亚-贝利多说。为了使如此大的质量范围显现出来，PBH 必须聚集在紧密的群体中，在这些群体中它们可能会偶尔碰撞、合并并变得更大。
由于 PBH 是在大爆炸后不久产生的，因此它们最初很容易相互连接。早期宇宙比今天小得多，在经历了近 140 亿年的急剧膨胀之后，物体更容易找到其他 PBH 并与它们配对。然而，随着宇宙继续膨胀，第一批恒星和星系出现，这些连接变得越来越稀有。因此，虽然 LIGO 有可能观测到合并的 PBH，但这不太可能，纽约市扁平研究所的 LIGO 团队成员、一篇即将发表在《天体物理学杂志快报》上的研究报告的合著者、天文学家卡特琳娜·查齐约安努表示，该研究报告将 GW190425 认定为碰撞中子星的产物。
去年四月，在收到 LIGO 探测到 GW190425 的警报后，世界各地的望远镜寻找相应的电磁信号，这种信号通常预计来自两颗中子星的爆炸性碰撞。但天空仍然黑暗，就像一对原初黑洞猛烈撞击在一起一样。“我们不会期望两个原初黑洞的合并会发出任何光，”查齐约安努说。即便如此，她补充说，没有光并不能排除中子星的可能性。大质量中子星可能发生了相对平静的合并，在引发任何天体焰火之前直接坍缩成黑洞。也可能是事件在天空中的位置可能来自地球望远镜无法探测到的地方，例如太阳背后的区域。“如果确实有光，他们有充分的理由错过它，”她说。
最新的观测结果只提供了诱人的暗示，表明 PBH 可能存在于宇宙的黑暗中，偶尔会聚集在一起。更清晰的信号将来自一对黑洞，其中每个黑洞的重量都小于太阳。“如果你发现一个质量小于太阳质量的黑洞，那么至少，这来自一种机制，除了原初黑洞之外，没有人能在天体物理学上预测到，”汉纳说。加西亚-贝利多也同意。“最确凿的证据将是发现质量小于一个太阳质量的黑洞——或质量大于太阳 50 倍的黑洞，”他说。
虽然 LIGO 的观测结果可能标志着首次探测到 PBH，但查齐约安努和汉纳都认为，引力波更有可能仅仅来自超重的中子星。关于如此庞大的中子星形成的理论已经存在，它们不需要来自宇宙之初的任何推测性情景。“[这些事件的来源] 是原初黑洞的可能性肯定比仅仅是比我们在星系中看到的更重的中子星的可能性要小得多，”查齐约安努说。“这并非不可能；只是可能性较小。”
虽然汉纳称 GW190425 作为原初黑洞双星的案例“很弱”，但加西亚-贝利多仍然更加乐观。“所有 LIGO 事件都可能是由原初黑洞引起的，”他说。只有时间和更多的数据才能说明问题。