暗物质是由黑洞构成的吗？

在十多亿年前，遥远宇宙中的两个黑洞在死亡之舞中互相盘旋，直至融合。这场螺旋碰撞极为剧烈，震动了时空结构，将扰动——引力波——以光速向外传播到宇宙中。2015年9月，在穿越了十多亿光年后，这些涟漪掠过我们的星球，在高级激光干涉引力波天文台（LIGO）的传感器中记录为“啁啾”声。

这是引力波的首次直接探测，这项观测证实了阿尔伯特·爱因斯坦百年前对其存在的预测。然而，啁啾声揭示，每次合并的原始黑洞都比太阳重30倍。也就是说，它们的质量是超新星爆炸产生的普通黑洞的两到三倍。这些黑洞是如此之重，以至于很难解释它们是如何完全由恒星形成的。此外，即使两个如此巨大的黑洞确实独立地从超大质量恒星的死亡中形成，它们也必须彼此找到并融合——这在当前的宇宙年龄内发生的概率极低。因此，有理由怀疑这些巨大的黑洞是通过某种其他更奇特的途径形成的，而这种途径可能根本不涉及恒星。除了探测到引力波之外，LIGO 可能还揭示了更非凡的东西：早于恒星形成之前的黑洞。

尽管这种“原始”黑洞以前从未被观测到，但一些理论模型表明，它们可能在宇宙大爆炸后不到一秒，从充满宇宙的热稠密等离子体中大量形成。这个隐藏的群体可能解开现代宇宙学中的几个未解之谜。特别是，原始黑洞可能构成部分，甚至全部的暗物质——宇宙中看不见的物质，占物质总量的85%，它像引力胶一样将星系和星系团聚集在一起。利用 LIGO 和其他设施进行的进一步研究将很快检验这些想法，有可能在对宇宙的理解上引发一场新的革命。

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致密晕天体（MACHO）的衰落，弱相互作用大质量粒子（WIMP）的兴起

黑洞最初似乎是暗物质的理想候选者，因为它们不发光。事实上，与其他黑暗物体（如行星和褐矮星）一起，它们构成了长期以来提出的暗物质问题的一个解决方案：致密晕天体（MACHO），即“大质量致密晕天体”的缩写。致密晕天体（MACHO）存在于每个星系周围的球形晕和每个星系的发光中心附近，它们会产生引力，导致天文学家在星系外围观测到的恒星和气体的异常运动。简而言之，星系的旋转速度似乎太快，无法被我们观测到的恒星中的可见质量束缚在一起。暗物质提供了额外的引力，以防止旋转的星系甩出其恒星。

如果致密晕天体（MACHO）构成宇宙中大部分的暗物质，那么它们也必须解释其他的观测结果。无论暗物质是什么，它都塑造了宇宙中最大的结构，决定了星系的起源和增长，以及星系团和超星系团的起源和增长。这些天体是从暗物质晕内气体团的引力坍缩中凝聚而成的。宇宙学家通过对深空和广域星系巡天进行了精确绘制，绘制了这些团块的空间分布，并将它们与宇宙微波背景（CMB）中存在的微小温度波动联系起来，宇宙微波背景是大爆炸的全天余辉。大星系和星系团中弥散的暗物质质量也会弯曲空间，从而扭曲来自遥远背景天体的光线——这种现象被称为引力透镜效应。

然而，十年前，当致密晕天体（MACHO）在对其存在的初步、间接搜索中没有出现时，致密晕天体（MACHO）假说失宠了。最值得注意的是，天文学家通过微引力透镜效应寻找它们，微引力透镜效应是一种引力透镜效应，其中黑洞、褐矮星甚至行星在背景恒星前方经过，并暂时放大恒星的光线。对大麦哲伦星云和小麦哲伦星云（银河系的主要卫星星系）中数百万颗恒星进行的多年微引力透镜巡天没有发现任何证据表明致密晕天体（MACHO）构成了我们银河系晕的全部。这些结果足以排除质量高达约 10 个太阳质量的致密晕天体（MACHO）作为暗物质的主要成分。随着这些巡天的进行，理论家们为另一种假说——弱相互作用大质量粒子（WIMP）——建立了理论基础。

弱相互作用大质量粒子（WIMP）是粒子物理学标准模型的某些扩展所预测的，但它们至少与致密晕天体（MACHO）一样难以捉摸。迄今为止，尽管使用了粒子加速器、地下探测器和太空望远镜进行了数十年的搜索，但仍未发现其存在的证据。随着对弱相互作用大质量粒子（WIMP）的搜索中出现越来越多的零结果，一些研究人员开始重新考虑致密晕天体（MACHO）假说，特别关注原始黑洞。但是，是什么过程可能在整个可观测宇宙中播下了这些奇怪的天体？它们又是如何长期躲过探测的呢？

来自大爆炸的黑洞

天文学家伯纳德·卡尔和已故物理学家斯蒂芬·霍金在 20 世纪 70 年代提出了原始黑洞的概念。他们考虑了质量小于山脉的黑洞。通过霍金发现的量子力学过程（恰如其分地称为霍金辐射），这种微小的黑洞早已在近 140 亿年历史的宇宙中蒸发并消失了。但他们也研究了质量更大、不会蒸发的黑洞可能构成星系团中缺失物质的可能性。大质量原始黑洞实际上可能是大部分甚至全部暗物质的可能性，取决于一个称为宇宙暴胀的想法，该想法最早由物理学家艾伦·古思在 20 世纪 80 年代初提出。

暴胀是大爆炸后立即发生的惊人膨胀的假想阶段。在 10^–35 秒内，相隔小于原子半径的两个点之间的距离将变成四个光年，这个距离与最近的恒星的距离相当。此外，在暴胀期间，微小的量子涨落通过快速膨胀被放大到宏观尺度，从而在不断增长的宇宙中播下物质和能量的低密度和高密度区域，所有宇宙结构随后都从中出现。尽管暴胀理论可能看起来很奇怪，但它得到了宇宙微波背景（CMB）中此类密度涨落观测的有力支持。

1996 年，我们中的一位（加西亚-贝利多）与斯坦福大学的安德烈·林德和英国朴茨茅斯大学的大卫·万德斯一起，发现了一种方法，使暴胀可以在早期宇宙的密度涨落谱中形成尖锐的峰值[见对面页面的方框]。也就是说，我们展示了暴胀极大地放大的量子涨落将如何自然地产生特别稠密的区域，这些区域会在暴胀结束后不到一秒的时间内坍缩形成一个黑洞群体。这些黑洞随后会像暗物质一样发挥作用，并主导当今宇宙的物质含量。该模型生成了一个质量相同的黑洞群体，该质量由坍缩区域内的能量大小决定。然后，许多其他小组开始在不同的暴胀模型中探索这些想法。

2015 年，我们两人（克莱斯和加西亚-贝利多）提出了一个与 1996 年的方案类似的方案，其中这些原始涨落的能量密度和空间尺寸呈现出宽峰，从而产生了质量范围广泛的原始黑洞。该方案的一个关键结果是，大的密度涨落在空间上彼此靠近的地方坍缩，从而产生不同质量的黑洞团簇——从太阳质量的百分之一到 10,000 倍。在大爆炸后的 50 万年内，每个不断增长和演化的星团都可能在一个只有数百光年宽的体积内包含数百万个原始黑洞。

这种原始黑洞团簇的密度足以解释 LIGO 神秘的黑洞合并现象，否则人们不会期望这种合并现象会经常发生。有时，一个星团内两个原始黑洞的轨迹会交叉，从而使这两个天体彼此引力束缚。然后，它们将在长达数百万年的时间里螺旋式地靠得更近，辐射出引力波，直到它们合并。2015 年 1 月，我们实际上预测 LIGO 将探测到来自这种大质量合并的引力波——与 LIGO 在当年晚些时候探测到的波完全相同。我们对原始黑洞团簇内合并事件发生率的估计，完全符合 LIGO 设定的限制。如果 LIGO 和其他类似的设施探测到更多的合并事件，则有可能确定所有原始黑洞的质量和自旋范围。对黑洞合并进行这样的统计分析，将为检验其潜在的原始起源提供关键信息。

该方案的一个关键方面是，它避开了先前由引力微透镜实验设定的对致密晕天体（MACHO）的限制——这些限制排除了质量高达约 10 个太阳质量的黑洞作为暗物质的主要成分。如果原始黑洞存在并且具有广泛的质量范围，那么只有很小一部分会被这些微引力透镜实验观察到，而大部分仍然是不可见的。如果原始黑洞成群结队地聚集在一起，那么这种排列方式表明，星团恰好位于为微引力透镜事件监测的附近卫星星系中的恒星视线方向上的概率小于千分之一。

为了避免这种影响，人们可以在天空的其他地方搜索微引力透镜事件，寻找来自银河系邻近的仙女座星系，甚至来自遥远星系类星体的放大光线。通过这种方式，人们可以探测更大体积的星系晕，以寻找致密晕天体（MACHO）的迹象——也就是原始黑洞。最近的观测表明，虽然质量高达 10 个太阳质量的致密晕天体（MACHO）可能无法构成平均星系晕的全部，但质量在十分之一到几个太阳质量之间的致密晕天体（MACHO）可能很容易占到典型星系晕中质量的约 20%。这个值与我们提出的宽质量原始黑洞方案是一致的。

简而言之，我们还不能排除暗物质主要由原始黑洞构成的可能性。事实上，这个提出的方案可能有助于我们解开与暗物质和星系形成相关的其他几个宇宙谜团。

多个问题，一个解决方案

原始黑洞团簇可以解决所谓的缺失卫星星系问题——即应该在我们银河系等大质量星系周围形成的“矮”卫星星系的明显缺失。目前的模拟宇宙中暗物质分布的模型准确地复制了宇宙观测到的大尺度结构，在其中，暗物质晕将星系团拉入巨大的丝状结构和片状结构，围绕着密度较低的巨大空洞。然而，在较小的尺度上，这些模拟预测了围绕大质量星系运行的众多暗物质子晕的存在。每个子晕都应该容纳一个矮星系，并且应该有数百个子晕围绕银河系。然而，天文学家发现的矮星系远少于预测的数量。

对于缺失卫星星系问题，存在许多潜在的解释，主要是模拟未能充分考虑普通物质（恒星中的氢和氦）对预测的矮星系的形成和行为的影响。我们的方案表明，如果成团的原始黑洞构成了大部分暗物质，那么它们将主导围绕银河系的子晕，吸收一部分普通物质，并降低子晕中恒星形成的速率。此外，即使这些子晕大力形成恒星，这些恒星也很容易被与大质量原始黑洞的近距离遭遇所抛射出去。这两种效应都会大大降低卫星星系的亮度，使得在没有灵敏度极高的广域相机的情况下很难探测到它们。幸运的是，这种相机现在已经存在，天文学家已经使用它们发现了数十个围绕银河系的超微弱矮星系。这些天体似乎拥有比发光恒星多达数百倍的暗物质，而我们的模型预测应该有数千个这样的星系围绕我们的银河系运行。

模拟还预测了介于矮星系和大质量星系之间的中等大小星系群体的存在。据说这种天体太大而不会失败，因为它们足够大，可以轻易地形成恒星并且很容易被看到。然而，它们并没有出现在天文学家对银河系附近的搜索中。这个太大而不会失败的问题有一个与缺失卫星星系问题类似的解决方案：中等大小星系核心中的大质量原始黑洞可能会将恒星和恒星形成气体从这些天体中喷射出去，从而使它们在大多数巡天中实际上变得不可见。

原始黑洞还可以解决超大质量黑洞（SMBH）的起源问题。这些庞然大物重达数百万甚至数十亿个太阳质量，并在宇宙早期类星体和大质量星系的中心被观测到。然而，如果这些超大质量黑洞（SMBH）是从宇宙第一批恒星的引力坍缩中形成和增长的，那么它们不应该在如此相对较短的时间内（大爆炸后不到十亿年）获得如此巨大的质量。

在我们的方案中，尽管大多数原始黑洞只有数十个太阳质量，但极小一部分会重得多，质量范围从数百到数万个太阳质量不等。这些庞然大物诞生于大爆炸后不到一秒，随后将充当第一个星系和类星体形成的巨大种子，这些星系和类星体将在其中心迅速发展出超大质量黑洞（SMBH）。这种种子还可以解释中等质量黑洞的存在，中等质量黑洞拥有 1,000 到 100 万个太阳质量，被观测到围绕超大质量黑洞（SMBH）运行，并在球状星团的中心。简而言之，原始黑洞可能是传统恒星质量黑洞和超大质量黑洞（SMBH）之间缺失的环节。支持这一方案的观测证据正在迅速积累：最近在早期宇宙中探测到出乎意料的丰富 X 射线源，最容易用大量原始黑洞来解释，这些黑洞在大爆炸后不到 10 亿年的时间内吞噬气体时产生 X 射线。

在黑暗中观测

尽管大质量原始黑洞可能解开暗物质之谜，以及宇宙学的许多其他长期存在的问题，但游戏尚未结束。其他模型和解释仍然是可能的，未来的观测应该能够让我们区分这些替代方案。事实上，已经存在七种观测方法来检验原始黑洞方案[见对面页面的方框]。它们包括超微弱矮星系的探测、大质量原始黑洞对银河系中恒星位置的影响、第一次恒星形成时期中性氢的绘制以及未来对宇宙微波背景中扭曲的观测。

除了这些实验之外，我们现在还拥有一个全新的工具来解开宇宙的奥秘，那就是高级 LIGO 和其他引力波探测器。如果 LIGO 确实探测到了一个隐藏的大质量原始黑洞群体的合并成员，我们应该期望在未来几年探测到更多。在第三次运行结束之前，来自意大利 Virgo 合作组织和高级 LIGO 的科学家已经展示了 50 次已证实的黑洞双星合并期间发出的引力波探测结果，并且预计在未来的运行中会有更多新的探测结果。这些探测结果表明，双黑洞比预期的更为频繁，并且它们的质量分布广泛，这与我们的大质量原始黑洞方案相符。

将这些新的实验和观测结果结合起来，可能会证实原始黑洞的存在及其与宇宙缺失物质的可能联系。很快，我们可能不再对暗物质一无所知。