NASA科學家認為，黑洞或許就是暗物質，我們被大量黑洞包圍著

科技 05-30

宇宙原初黑洞和「暗物質」之間可能存在著關聯？

這是大熊座一片天區的紅外影像，由斯皮策太空望遠鏡拍攝。NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky（Goddard）

宇宙物質組成的大部分是一種神秘的暗物質，通常人們認為這是一種大質量奇異粒子。而另外也有人認為，暗物質其實是宇宙誕生初刻形成的原初黑洞。據NASA消息，戈達德空間飛行中心的一位科學家表示，這一解釋符合當前我們對宇宙紅外和X射線背景餘暉的認知，同時也能解釋去年人們意外觀測到的大質量黑洞融合現象。

戈達德的天體物理學家Alexander Kashlinsky說，「這一研究致力於將大量觀點和觀測結果綜合在一起，來檢驗它們的匹配度，結果出人意料地好。如果確實如此，那麼所有星系，包括我們的銀河系，都鑲嵌在一個由大量30倍於太陽質量的黑洞構成的巨大球體之內。」

2005年，Kashlinsky領導了一個天文學家小組，用斯皮策太空望遠鏡對部分天空的紅外背景餘暉進行了探測。學者們在報告中說，餘暉中存在著過多的斑塊，它們可能是130億多年以前照亮宇宙的首批聚合信號源。進一步的研究確認了天空其它區域的宇宙紅外背景中，也存在著類似的不明結構。

NASA科學家認為，黑洞或許就是暗物質，我們被大量黑洞包圍著

假如我們把前面那張圖中的所有已知恆星、星系遮擋住，並增強其餘的影像數據，就能發現一片不規則的背影餘暉。淺色代表亮區。它的不規則程度超出了預期，僅靠那些遙遠的未發現星系，無法對此加以解釋。學者們認為，這種過亮的結構可能是宇宙年齡低於十億年的時候產生的。它可能源自宇宙中形成的首批明亮天體。既包括首批恆星，也包括原初黑洞。NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky（Goddard）

2013年，在另一個研究項目中，人們把同一區域的宇宙X射線背景和宇宙紅外背景進行了比較。首批恆星產生的主要是可見光和紫外線，今天這些光被空間的膨脹拉伸成了紅外線，因此它們在宇宙X射線背景中本應不怎麼明顯。

但是宇宙X線背景中的低能X射線不規則光暈與宇宙紅外背景相當吻合。迄今為止，我們所知唯一能夠在如此寬的能量範圍內產生足夠亮度的天體是黑洞。研究小組因此得出結論，宇宙中最早誕生的恆星周圍，可能遍布著大量的原初黑洞。今天我們看到的宇宙紅外背景中，每五個疑似信號源中，至少有一個可能是原初黑洞。

與此同時，暗物質的本質仍然是當今天體物理學中最大的未解之謎。科學家偏好於用理論模型來解釋它，把它視為一種奇異的大質量粒子。但到目前為止，都還沒有找到任何證據，可以證明這種假想中的粒子確實存在。

「許多研究為我們提供了越來越多的靈敏結果，慢慢地縮小了暗物質粒子的藏身之所，」Kashlinsky說。「但我們始終未能找到它們。這又讓我們重新對原初黑洞產生了興趣——這些黑洞產生於宇宙誕生的最初一瞬間——它們有可能就是我們想要尋找的暗物質。」

物理學家設想了許多種方法，來推測熾熱、急速膨脹的宇宙是如何在大爆炸後僅幾千分之一秒的時間內，產生出原初黑洞的。這一機制發生作用時，宇宙的年齡越大，產生出來的黑洞也越大。而且由於產生它們的時間窗口連一秒都不到，科學家猜測，原初黑洞的質量範圍是極為有限的。

2015年9月14日，一對距離我們約13億光年的黑洞發生了融合，併產生了引力波。引力波被LIGO探測到。這一事件標誌著人類首次直接探測到引力波，同時也標誌著人類首次直接探測到黑洞。信號為科學家提供了這對黑洞的質量信息，它們分別是29倍和36倍於太陽質量，誤差在4個太陽質量左右。這些數值都出人意料地大，也出人意料地相似。

根據已知的機制，原初黑洞，如果它們確實存在，那麼它們的質量可能與LIGO發現的這對黑洞十分相似。Kashlinsky解釋說：「假定確實是這樣，那麼LIGO發現的，就是一對形成於早期宇宙的黑洞。」

在5月24日發表於《天體物理學通訊》的新論文中，Kashlinsky假設宇宙中存在一族黑洞，它們和LIGO發現的黑洞十分相似。分析結果表明，這些黑洞會破壞早期宇宙的質量分布，形成微小的波動，並進一步促成數億年後首批恆星的誕生。

在宇宙誕生後5億年的大部分時間中，一般物質的溫度太高，無法形成恆星。暗物質不受高溫影響，無論它究竟是什麼，它主要只與引力發生作用。它們互相吸引，坍縮為團塊，也就是所謂的「迷你暗暈（minihalo）」。它們成為引力種子，使得普通物質的積聚成為可能。熾熱氣體朝著迷你暗暈坍縮，導致氣體團塊的密度變大，進而自我坍縮為首批恆星。Kashlinsky向我們展示了，如果黑洞扮演著暗物質的角色，這一過程就會進行的更快，且更容易在宇宙紅外背景中形成團塊，即便只有一小部分迷你暗暈導致了恆星的出現。

宇宙中的氣體會持續不斷地墜向迷你暗暈，假如它們是黑洞，那麼這些氣體也會被這些黑洞俘獲一部分。墜向黑洞的物質會被加熱，並最終產生X射線。首批恆星產生的紅外線，和墜向「暗物質黑洞」的氣體產生的X射線，能夠解釋我們在宇宙紅外背景和宇宙X射線背景中所見斑塊的一致性。

部分原初黑洞偶爾也會靠得太近，被引力俘獲成為一對雙黑洞。相互迴旋、逐漸靠近的黑洞，由於軌道能量的丟失，會長期釋放出引力輻射。最終它們會融合成一個較大的個體，發生LIGO所見的那種事件。

Kashlinsky說，「未來LIGO所進行的觀測會告訴我們和宇宙黑洞族群有關的許多信息，我所主張的觀點究竟成立與否，也無需等待太長的時間，就可以見分曉。」

歐空局計劃於2020年升空的LIBRAE計劃，能夠以極高的精度，對宇宙紅外背景中的信號源類型進行測定。屆時我們可能會有機會了解，它們中究竟哪些是由黑洞產生的。

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