黑洞中隐藏着暗物质？或许我们不能忽视这种可能性

iamkfeng

不是科学家第一次暗示黑洞可能是暗物质，但之前我们认为，这种可能性已经被果断地排除。

　　作者简介：佩德罗·费雷拉（Pedro Ferreira）是牛津大学的宇宙学家和天体物理学家，并且是牛津大学奥里尔学院的院士。他主要研究宇宙大规模结构的起源、广义相对论，以及暗物质和暗能量的本质。他最近的著作《完美理论》讲述了广义相对论和宇宙学的历史。该书入围了皇家学会“科学书籍”奖和2014年物理世界书籍奖。

　　2016年2月11日，当先进激光干涉引力波天文台（Advanced Laser Interferometric Gravitational Wave Observer，简称先进LIGO或aLIGO）的发言人宣布引力波被发现时，我惊呆了。当然，我们期待过aLIGO在某种程度上会给我们带来一些有趣的东西，但认为那是暂时的。我们预计，经过对数月或数年的数据进行复杂而艰苦的分析之后，这个项目将向我们展示一个微弱的信号，从噪声中微微地探出头来。

　　但是，情况并不是这样。在2月那具有重大意义的一天，显示出来的图像是如此清晰，如此明确，以至于我觉得没有任何说服力。用我的肉眼，我可以看到两个大型黑洞逐渐靠近，合并成一个，当它稳定下来时，便将引力波射向周围的时空。

　　还不止于此。aLIGO看到的黑洞其实不应该在那里。我们知道，有些黑洞的质量是太阳的百万或万亿倍，我们也见到过质量类似太阳的较小黑洞。然而，aLIGO看到的黑洞比太阳重30到60倍。我的一些同事现在声称，aLIGO发现的这些中型黑洞可能就是我们近50年来一直未能发现的暗物质。

　　这不是科学家第一次暗示黑洞可能是暗物质，但之前我们认为，这种可能性已经被果断地排除。重新捡起这个想法，其实只是在新发现之后又激发出丰富创造力的又一个例子。那些已经“失宠”的观点可以重新流行起来，以新的眼光看待，并充满热情地进行探索，在某些情况下还会取代已被接受的观点。这些经过修正的发现也将看似非常不同的研究领域——比如暗物质和引力波——结合在一起，获得富有成效的结果。

　　20世纪70年代，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和他当时的研究生伯纳德·卡尔（Bernard Carr）提出，从大爆炸之后的一片混沌中，可能会出现无数微小的原始黑洞，占据宇宙空间。随着时间推移，这些黑洞逐渐成长，并在这一过程中为星系形成提供种子。它们甚至可能为宇宙的整体能量收支做出贡献。黑洞质量很大，很难观测到，而这两点正是我们在寻找宇宙中缺失的物质时需要考虑的属性。

　　几十年来，一群坚定的支持者在不断推动这一观点。20世纪90年代，他们似乎受到了一次致命打击。大质量致密银晕天体（MACHO）实验“训练”了一台望远镜，在大麦哲伦云中观察了当黑洞等物体从一颗恒星前经过时发生的微弱闪烁。他们发现，要找到足够的黑洞来弥补宇宙中的全部暗物质是非常困难的。

　　最近，来自普林斯顿大学高等研究院的蒂莫西·布兰特（Timothy Brandt）研究了黑洞对密集恒星团的可能作用。这种密集的恒星团被称为球状星团（globular cluster），存在于在银河系周围虚空中隐藏的矮星系中。他的研究还显示，如果黑洞数量太多，这些球状星团就会加热、膨胀并很快死亡。通过在矮星系Eridanus II中代入一个特定球状星团的数值，布兰特证明了只有一小部分暗物质可能以黑洞的形式存在。于是，“黑洞是暗物质”就成为理论家们喜欢提到的另一种奇特想法，但似乎在自然界中不能成立。

　　寻找暗物质的重点在于大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles），简称WIMPS。这些基本粒子是非常早期的遗留，当时宇宙的基本作用力是统一的，并且行为与现在非常不同。我的许多同事认为，WIMPS的发现是不可避免的；它们必须存在。大多数宇宙学家认为，只要我们建造出足够巨大、功能足够强大的仪器，我们就必将观测到这些奇怪的粒子。

　　或者这一切不会发生。随着时间推移，我们的探测器越来越大，功能越来越强，但它们可能不会发现任何东西。最近，位于美国南达科他州莱德市的大型地下氙实验（LUX）依然未能提供轻量级暗物质粒子的任何证据。该探测器位于地下1480米深处，使用半吨重的液氙来搜寻WIMPS撞击的痕迹。来自布朗大学的理查德·盖茨凯尔（Richard Gaitskell）是LUX背后的建造者之一，他说：“如果提高灵敏度能带来清晰的暗物质信号，那将是非常了不起的。然而，我们观察到的都只与背景一致。”

　　考虑到WIMPS探测中经历的困境，似乎有必要重新审视一些较早以前，已经被弃之不用的观点。近期的两篇论文，作者分别是约翰霍普金斯大学的西米恩·伯德（Simeon Bird）和京都大学基础物理学研究所的佐佐木节，他们正是这么做的。

　　在aLIGO发现的刺激下，他们研究了质量为太阳几十倍的黑洞是否为暗物质的可能性。银河系中很可能有100亿个这样的黑洞，其中距离太阳系最近的可能就在几光年之外。在这些黑洞中，有些会靠近形成“双黑洞”，少数这样的双黑洞可能会被aLIGO探测到。两个研究团队都认为，aLIGO应该每年都能探测到几个到几十个这样的事件；相比通过恒星塌缩等普通方式形成的黑洞，它们将更具有优势。换句话说，如果这些黑洞是银河系中的暗物质，那我们应该已经用aLIGO发现它们了。我们确实也做到了。

　　细节决定成败。最初出现的原始黑洞是什么样的，这个问题依然悬而未决。一个观点是，它们是在早期宇宙一段短暂的膨胀期（称为“暴胀”）中产生的。膨胀过程中的颠簸和颤抖会使能量集中在密集的团块中，从而为黑洞的形成提供种子。为了让我们能探测到它们，这些黑洞需要以足够近的距离聚集在一起，然后合并，产生引力波。这种情况如何发生，在什么时候发生，将取决于银河系的形状、黑洞质量的紧密程度，以及黑洞的移动速度。合理的假设似乎给出了一个很有希望的答案，但这些依然只是假设。