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时间起源的黑洞
宇宙大爆炸后不到一秒钟内产生的一些隐藏黑洞可能会解决暗物质谜团
简介：
暗物质的本质——通过自身引力将星系聚集在一起的不可见物质——是一个深奥的宇宙之谜。许多研究者猜测暗物质是由相互作用弱的大质量粒子组成且一直在通过实验寻找它们。但至今还没有找到该物质。
可能紧接着大爆炸发生之后诞生的原初黑洞是暗物质的又一候选者。然而即使到现在也没有检测到此的存在。更多原初黑洞的证据需要引力波探测器和其他天文台给出的更新的数据。如果能确定其存在，就能够解决暗物质的谜团以及若干宇宙学难题。
10多亿年前，遥远宇宙中的两个黑洞以死亡之舞的形式彼此旋转，直到合二为一。该旋转碰撞过程如此剧烈以至于扰乱了时空结构，产生扰动——引力波——以光速在宇宙间传播。在2015年9月，经过10亿光年之后，这些波动到达地球，被先进的激光干涉引力波天文台（LIGO）所检测到，显示出“唧唧声”。
这是第一次直接探测到引力波，同时也证明了爱因斯坦1个世纪前的对引力波预言。该唧唧声还揭示了合并的每个原始黑洞质量是太阳的三十倍。也就是说，也就是说，它们的质量是由大质量恒星的超新星爆炸产生的普通黑洞的两到三倍。这些黑洞质量太大，很难解释他们是怎么由恒星演化来的。此外，即使这两个黑洞确实是由大质量恒星的死亡独立形成，他们也必须找到彼此并合并——这以目前宇宙年龄来说发生概率极低。所以有理由怀疑这些大质量黑洞是通过其他更独特的方式而不是恒星死亡生成的。除了发现引力波之外，LIGO还发现了一些更奇特的事情：黑洞比恒星更早形成。
尽管此前从未发现此类“原初”黑洞，一些理论模型表明可能在宇宙大爆炸后不到一秒的时间里，由充满宇宙的高温、高密度等离子体形成了众多的原初黑洞。这些隐藏的数量能够解决现代宇宙学的若干著名难题。特别是原初黑洞可以组成一些或者全部的暗物质——宇宙间85%的看不见的物质，通过引力作用把星系和星系团聚集在一起。与LIGO和一些其他设施的研究会尽快测试这一想法，可能会让我们队宇宙的理解上引发一次新的革命。
MACHOS的衰落，WIMPS的崛起
黑洞最开始被认为是暗物质的理想候选者因为其不发出光。确实，它们与其他的暗星体例如行星和褐矮星一起，构成了一个暗物质问题的长期解决方案：MACHOs，大型紧凑光环物体的简称。MACHOs既存在于每个星系周围的球状光环中，也存在于每个星系的发光中心附近，它会产生一种万有引力，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。简单地说，星系的旋转速度似乎太快了，以至于我们观察到的恒星中的可见物质无法将它们聚集在一起。暗物质提供了防止旋转星系抛出行星的额外拉力。
如果MACHOs组成宇宙间绝大多数暗物质，那么其他的观测结果也可以得到解释。无论暗物质是什么，它都形成了宇宙的最大结构，决定着星系、星系团以及超星系团的起源和演化。这些天体是由暗物质晕内气体团块的引力坍缩而形成的。宇宙学家们已经通过深入和广泛的调查精确绘制了这些团块的空间分布，并将它们与宇宙微波背景辐射（CMB，大爆炸后的余晖）中存在的微小温度波动联系起来。星系和星系团间分散的大量暗物质也会扭曲空间使来自遥远背景物体的光线弯曲——引力透镜。
然而，MACHO的假设在十年前就失宠了，那时并没有在试探性的、间接的研究中发现它们的存在。最引人注目的是，天文学家们通过微透镜在寻找它们。微透镜是一类引力透镜，在其中当黑洞、褐矮星或者行星经过背景恒星时会临时放大恒星发出的光。人们对银河系的主要卫星星系——大麦哲伦星云和小麦哲伦星云中的数百万颗恒星进行了数年的微透镜观测，发现没有证据表明MACHOs构成了我们整个星系晕。这些结果足够确定可以排除质量达10个太阳质量的MACHOs作为暗物质的最初成分。随着调查的进行，理论家们提出另一种假设——WIMPS，即弱相互作用的大质量粒子。
虽然WIMPs由粒子物理标准模型的某些拓展规则来预测，但它们至少和MACHOs一样难以观测。尽管经过数十年的研究，利用粒子加速器、地下探测器和太空望远镜都没有发现其存在的证据。由于WIMPs的研究没有任何结果，一些研究者们尤其专注于原初黑洞，开始重新考虑MACHO的假设。但是什么过程才能在可观测宇宙间留下这些奇怪物体，又怎么会一直检测不到它们？
来自大爆炸的黑洞
物理学家Bernard Carr和Stephen Hawking在1970年代提出过原初黑洞的想法，尽管他们只考虑了质量小于一座山的黑洞。如此小的黑洞已经在现今宇宙存在的140亿年间通过一种量子力学过程蒸发消失了，该过程由Hawking发现被取名为Hawking辐射。Hawking和Carr的原初黑洞只会对当今宇宙的暗物质总量有很小的贡献。
实际上大质量原初黑洞是大多数甚至全部暗物质的可能性取决于一个叫做宇宙暴涨的理论，该理论首先由物理学家Alan Guth于80年代初提出。暴涨是大爆炸之后立即发生的极速膨胀的假设。在10-35秒之内，相距小于一个原子半径的两点将会被分开到相距4光年的距离，相当于最近的恒星间距。更有甚者，暴涨期间的微小量子涨落被极速膨胀放大到宏观可见的尺度，在膨胀的宇宙播下欠密的和过密的物质和能量区域的种子，随后形成所有的宇宙结构。尽管看起来很奇怪，但在微波背景辐射里对这样的密度波动的观察有力地支持了暴涨理论。
1996年我们中的一员与Stanford大学的Andrei Linde和Portsmouth大学的David Wands在英格兰发现一种暴涨方式，使早期宇宙的密度波动谱里面出现尖峰。也就是说，我们展示了被暴涨极大放大的量子涨落如何自然地产生特别密集的区域，这些区域在暴涨结束后不到一秒钟就会坍塌，形成一个黑洞群。随后这种黑洞就会像暗物质一样占今天宇宙物质成分的一大部分。该模型产生了相同质量的黑洞群，这些黑洞的质量由坍缩区域内的能量多少所决定。从那之后许多其他研究组开始在不同暴涨模型内探索这些理论。
2015年我们中的两人（Clesse和Garcia-Bellido）提出一种和1996年相似的方案，该方案中原初波动会在能量密度和空间大小中显示出一个宽峰，从而导致原初黑洞的质量有一个很大的范围。该方案的一个关键结论是大的密度波动会在空间过于近邻时发生崩塌，产生质量不等的黑洞群——100个太阳质量到10000个太阳质量之间。在大爆炸后50万年间，每个增长、演化着的黑洞群都会在数百光年宽的体积范围内包含数百万个原初黑洞。
这样的黑洞群有着足够的密度来解释LIGO的神秘黑洞合并现象，不然就不会有规律来解释该现象的发生。在一个群中两个原初黑洞的轨道有时会发生交叉，从而两者会因引力结合在一起。而后它们会在数百万年间绕彼此螺旋旋转，同时辐射出引力波，直到合并。在2015年1月我们就已经预测到LIGO将会探测到这样的大质量合并发出的引力波——也就是当年晚些时候LIGO探测到的那些引力波。我们关于原初黑洞群内的黑洞合并速率的估计与LIGO提出的范围完全吻合。如果几年之内LIGO和其他设备能够探测到更多的合并事件，那么就有可能确定所有原始黑洞的质量和角动量。这种对黑洞合并事件的统计分析能够为探测它们的潜在的原始起源提供至关重要的信息。
该方案的一个关键点是它避开了先前由引力透镜实验设定的对MACHOs的约束条件——该约束条件排除了大约10个太阳质量的黑洞是暗物质主要成分的可能性。如果原初黑洞存在且具有广泛的质量范围，那么只有一小部分对引力透镜实验是可见的，大部分都不能被观察到。并且假若原初黑洞聚集成为黑洞群，该方案表明一个黑洞群碰巧在恒星的邻近卫星星系内沿着恒星视线发生微透镜事件的概率低于千分之一。
为了避免这种影响，人们可以搜索宇宙中其他地方的微透镜事件，寻找银河系邻近的仙女座星系中的恒星，甚至是遥远星系中的类星体发出的被放大的光。通过这种方式，人们可以探测到更大体积的星系晕以寻找MACHOs的迹象，也就是原初黑洞的迹象。最近的观测表明，一个质量为10倍太阳质量的MACHO可能无法组成一个普通的星系光晕，而质量在十分之一到几个太阳质量之间的MACHOs可以轻易占到一个典型星系光晕质量的20%左右。这个值与我们的大质量原初黑洞的方案相一致。
简言之，我们还不能排除大多数暗物质由原初黑洞组成的可能性。但事实上，这个设想方案可以破解其他几个与暗物质和银河系形成有关的宇宙学谜题。
众多问题，一个方案
原初黑洞群可以解决所谓的卫星失踪问题——在大星系比如我们的银河系周围本应形成但却缺乏矮行星星系。现今关于宇宙中暗物质分布的仿真模型精确复制了宇宙中所观察到的大尺度结构，在这种结构中，暗物质的光晕将星系团拉成巨大的细丝和薄片，包围着低密度的巨大空间。然而在更小的尺度来看，这些模拟预测了大量围绕大质量星系运行的暗物质亚晕的存在。每一个这样的亚晕都应有一个矮星系，上百个亚晕一起围绕着银河系。然而天文学家们找到的矮星系还远低于预测的数量。
对于失踪卫星的问题存在许多可能的解释，主要的观点是：模拟未能完全解释普通物质（恒星中的氢和氦）对所预测的矮星系的形成和行为的影响。我们的方案指出：如果成团的原初黑洞组成大多数的暗物质，它们就会控制环绕银河系的亚晕，吸引一部分普通物质并且减缓亚晕中恒星的形成速率。此外，即使这些亚晕比较剧烈地形成了恒星，这些恒星也会轻易地在与大质量原初黑洞的近距离接近中被喷射出来。这两种效应都会大大降低卫星的亮度，如果没有高灵敏度的广域摄像机，卫星很难被探测到。幸运的是，这样的摄像机已经存在了，天文学家们已经使用它们发现了银河系周围几十个超级大的矮星系。这些星系所拥有的暗物质似乎是发光恒星的几百倍，而且我们的模型预测，围绕我们银河系周围的暗物质应该则应该是发光恒星的几千倍。
我们的模型还预测存在一个星系群，大小在矮星系和大质量星系之间。人们认为这些星系“大到不能倒”，因为它们大得很容易形成恒星，而且很容易被看见。尽管如此，在天文学家对银河系附近的研究中，它们还没有出现。这个“大到不能到”的问题与失踪的卫星的问题有着相似的解决方案：中间尺寸大小的星系中心处的大质量原初黑洞可以从中喷射出恒星和形成恒星的气体，使得它们对大多数探测都不可见。
原初黑洞同样也能够解决超大质量黑洞（SMBHs）的起源问题。这些重达一百万到十亿太阳质量的庞然大物在宇宙早期的类星体和大质量星系的中心被观察到。然而如果这些超大质量黑洞形成于宇宙的第一批恒星的引力坍缩，它们是不可能在大爆炸之后不到10亿年的这么相对短的时间内获得如此大的质量的。
在我们的设想中，尽管大多数的原初黑洞只有数十倍太阳质量左右，但还是有很小一部分质量大得多，大约在几百到几万个太阳质量之间。这些大质量物体诞生在大爆炸后的一秒内，为最早的星系和类星体的形成埋下巨大的种子，这些星系和类星体会迅速在它们中心演化出超大质量黑洞（SMBHs）。这些种子也可以用来解释中等质量黑洞的存在，这些黑洞有1000到100万个太阳质量，环绕这SMBHs运行，位于球状星团的中心。简而言之，原初黑洞可能是经典恒星质量级黑洞和超大质量黑洞之间的缺失的一环。这种情况的观测案例正在迅速形成：最近观测到早期宇宙中异常丰富的X射线源，这些观测结果大多数可以轻易通过大量的产生X射线的原初黑洞加以解释，这些原初黑洞在大爆炸后不到十亿年时开始吞噬气体。
在黑暗中探索
尽管大质量原初黑洞能够解决暗物质的谜团，以及许多其他长期存在的宇宙学问题，但游戏还远未结束。仍有其他模型和解释存在的可能，未来的观察应该能够帮助人们区分不同的选择。确实，在未来几年的时间里若干观测结果就能够检验原初黑洞这一设想。这些观测包括超大矮星系的探测，大质量原初黑洞对银河系中恒星位置的影响，对恒星形成的第一个时期中中性氢的测绘以及对宇宙微波背景的畸变的研究。
除了这些实验以外，我们同样有一个全新的工具用来解开宇宙之谜，这个工具基于先进的激光干涉引力波天文台和其他引力波探测器。如果LIGO真的探测到了一个隐藏的原初大质量黑洞群中存在合并的黑洞，那么在将来也应该有更多的合并事件被观察到。在2016年6月，LIGO的科学家们向领域内提交了第二次引力波探测的报告，报告中的引力波为两个质量分别为14倍太阳质量和8倍太阳质量的黑洞合并时发出的引力波，同时还初步暗示了另一个由23个太阳质量和13个太阳质量的黑洞合并发出的引力波。在我们总结这篇文章时，他们声称已经探测到了6次另外的黑洞合并事件。这些观测表明两个黑洞合并的事件发生的频率比我们预想的要高，并且它们的质量范围分布较广，这与我们关于大质量原初黑洞的设想方案想一致。
综合这些新的实验和观察，可以证实原初黑洞的存在以及它们与宇宙中缺失物质的可能联系。不久之后我们可能对暗物质就不再是一无所知了。
附文：
暗物质是由原初黑洞组成的吗？
这些观测将会给出产生影响：
- 探测更多的引力波
引力波探测器比如美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）和意大利的Virgo应该能够探测到更多黑洞合并。对出乎意外地多的大质量黑洞合并的探测可能是暗物质原初起源的线索但其本身并不会证实是原初黑洞组成了暗物质。只有通过其他观测才能证明这些证据。最终，探测到一个质量低于钱德拉塞卡极限（1.45倍太阳质量，低于此恒星将不能产生黑洞）的黑洞将是一个不可否认的原始起源的标志。幸运的是，LIGO很快将会达到探测此类黑洞所需的灵敏度，如果其伴星质量大于10个太阳质量的话。最后，在宇宙尺度上，大量的二体系统黑洞应该会引起扩散的引力波背景，未来的基于空间的激光干涉空间天线（LISA）和基于地面的脉冲星计时数组能够探测到此类引力波。
- 发现更多超大矮星系
2015年天文学家利用暗能量调查协会的资料，发现银河系光晕中有几十个超大矮星系，表明有数百个这样的暗物质占主要成分的矮星系围绕着银河系。假如暗物质由原初黑洞组成，那么大多数的原
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