暗物質是由大爆炸的微型黑洞組成？

暗物質是宇宙中神秘的「額外質量」，它不會發出光，諸多特性一無所知，有可能是由宇宙大爆炸產生的原始黑洞構成嗎？這些迷微型黑洞可以感謝希格斯玻色子的誕生——至少根據一種新理論。3月23日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)雜誌上的這一理論認為，這些原始黑洞是由在大強子對撞機(LHC)中發現的神秘的「上帝」粒子——希格斯玻色子(Higgs boson)產生的。

暗物質是什麼？沒有人真正知道，但一種可能性是由大爆炸的微型黑洞組成。圖片：Shutterstock

瑞士日內瓦大學的物理學家Antonio Riotto說：理論上所有暗物質的解釋都是基於原始黑洞的形式。然而並不是每個人都信服，一些物理學家說，這些原始黑洞不太可能解釋宇宙中所有的暗物質。希格斯玻色子是在所謂的希格斯場中產生，它在宇宙中瀰漫並給粒子質量。當希格斯玻色子被發現時，發現它比質子重約126倍，比許多物理學家預期的要輕。在做了一些計算之後，物理學家意識到這一質量意味著希格斯場可能不會處於最穩定的狀態。

更重要的是希格斯粒子的質量意味著在宇宙早期膨脹過程中，當物質在大爆炸後立即向外擴散時，不穩定的希格斯場就經歷了量子漲落，在這一領域的不同區域存在著不同密度的物質。根據這項新研究，這些波動使得小塊空間的密度如此之高，以至於坍縮成一個黑洞。這些小型微型黑洞質量大約為22萬億磅(10萬億公斤)，或者是珠穆朗瑪峰的質量。這個理論在很多層面上都有吸引力：暗物質不發射可探測的光，也不「黑」。而原始黑洞如果存在的話，可能是物理證據，證明希格斯場不是處於最低能量，而是處於准穩定狀態。新理論也可以解釋暗物質，而不需要任何超越標準模型的新物理學，它描述了微小亞原子粒子的行為。

然而如果這些原始黑洞確實存在，物理學家將如何找到它們？今天看起來會像140億年前出生時的樣子嗎？隨著時間的推移，黑洞會吸引和吞噬越來越多的質量。但可能還有另一種力在起作用，那就是從黑洞中吸出大量的物質：霍金輻射。霍金推測由於量子效應，黑洞會釋放粒子和能量。隨著時間的推移，霍金輻射可能會使它們完全蒸發，它們越小消失得越快。這些排放是如此的安靜和微弱，以至於從未被發現過，儘管大多數科學家相信它們存在。在140億年的時間裡，隨著時間的推移，在獲取更多的質量和在霍金輻射中失去它，今天的原始黑洞的殘餘可能是微小的，也可能是巨大的。

有爭議的想法

今天存在的黑洞能夠構成宇宙中所有暗物質的觀點是相對有爭議。物理學家排除了質量較低的黑洞，因為沒有足夠多黑洞來解釋宇宙中所有額外的質量。然而物理學家並沒有排除中等大小的黑洞。例如在2016年2月，激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布發現了兩個合併的黑洞，它們的質量是太陽的29倍和36倍。在那個質量範圍內的原始黑洞並沒有被排除，使得一些研究者充滿希望。

但是一些物理學家懷疑這些天體是否能解釋宇宙中大部分的暗物質。加州大學河濱分校(University of California Riverside)的黑洞物理學家西米恩·伯德(Simeon Bird)在接受《Live Science？採訪時表示：根據我們今天所了解的情況，原始黑洞不太可能是所有暗物質，但它們不可能有百分之一到百分之十的原因，要證明這一點，最簡單的方法就是探測原始黑洞。目前正在智利建造的大型天氣觀測望遠鏡，將是尋找這些古老黑洞的理想之選。約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)的理論物理學家馬克卡米恩科夫斯基(Marc Kamionkowski)也同樣謹慎，他曾撰寫過論文，以保護黑洞為暗物質。

對黑洞構成暗物質這一想法的信心在過去的一年裡受到了動搖。因為LIGO還沒有找到足夠的黑洞合併的簽名來證明這一理論的正確性，但我仍然覺得這個設想很有趣」這篇論文提供了一個早期宇宙機制來產生黑洞，因此非常有趣。原始黑洞仍然是假設的，直到我們發現了質量低於太陽質量的黑洞，而希格斯場對這些研究人員所提出的創造的解釋，在沒有它們的情況下是無法證明。並不是每個人都相信，就像這些研究人員所做的那樣，原始黑洞和暗物質可能是相同的。但是Kamionkowski在2017年告訴《科學》雜誌：這是一個瘋狂的想法，但任何關於暗物質的想法都是一個瘋狂的想法。

博科園-科學科普｜文：Meredith Fore/Live Science

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