黑洞是暗物质吗？

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：Gaviota，题图来自：《星际穿越》

黑洞是宇宙中最迷人的天体。天文学家通过探测X射线和引力波，已经发现了许多由恒星坍缩形成的恒星级黑洞，他们甚至还通过事件视界望远镜（EHT）拍摄到了位于星系中心的超大质量黑洞的视觉证据。但在宇宙中，还有一类假想的黑洞正广泛地被全世界的天体物理学家研究，那就是原初黑洞（PBH）。

正如原初黑洞的名字所暗示的那样，它们被认为是在大爆炸后还不到一秒的时候产生，也就是说它们出现在相当早期的宇宙中。

一些物理学理论认为，在宇宙形成时的很短很短的瞬间，空间并不是完全均匀的，因此，可能当时那些密度和温度较高的区域便坍缩成了黑洞，也就是原初黑洞。根据原初黑洞在不到一秒内具体的形成时间不同，它们可能具有非常不一样的质量和相关特征。

原初黑洞的神秘特性也让一些天文学家将它们和另一种未知现象联系在了一起，那就是在宇宙中的暗物质。一些理论物理学家一直在探索这样一种可能性：原初黑洞是否构成了暗物质。

一组研究人员最近开展了理论研究，进一步评估了最初成团的原初黑洞可能是暗物质候选体的假说。在这项新发表于《物理学评论快报》上的研究中，他们提出了一个相对简单的论点，似乎已经可以排除这种可能性。

成团的原初黑洞  

关于原初黑洞，理论物理学家一直想要探索的一个基本问题是，它们是否对宇宙中的暗物质丰度做出重大贡献。对此，LIGO-Virgo-KAGRA合作组收集了大量的引力波观测结果。从这些观测数据所推算的约束条件来看，这种可能性非常小。

然而，近期一些研究发现，原初黑洞在形成时的成团性，或者可以理解成它们的聚集程度，或许会通过一些相互作用改变它们的并合率，而这种变化有可能让某些关键数值落入LIGO-Virgo-KAGRA观测所设定的约束范围内，这就让这种贡献变得有可能。

成团原初黑洞或许能产生一种特性。紧凑的原初黑洞会产生一个巨大的单一透镜，它们能“躲避”现有的微引力透镜的相关约束，无法被现有的任何微引力透镜研究探测到。

这让天文学家从而产生了一种想法，如果恒星质量大小的原初黑洞在形成时是明显聚集在一起的，拥有一种很强的初始成团性，它们就可以避开目前由微透镜所设置的约束，也就有可能是暗物质的主要成分。但这种说法尚未被任何研究文献证实。

两种约束  

受到这种说法的影响，这项新的理论研究进行了相关调查。在他们的分析中，团队将先前天文观测所设定的微透镜约束，与一种被称为莱曼α森林的数据相结合。

莱曼α森林是一种吸收现象，它可以用天文光谱学工具进行观测，在遥远的星系和类星体的光谱中呈现为吸收线。这些吸收线已经成了天体物理学中一种有力的探针，尤其是在调查宇宙中的密度涨落研究中格外有效。

在论文中，研究人员表明，莱曼α森林的数据说明，为了规避现有的微透镜约束，原初黑洞需要的是弱成团，而非强成团，这与普遍存在的理论观点相矛盾。或者更直接地说，由于两种约束的存在，可以排除恒星质量的原初黑洞在形成时的大空间成团情况。

因此，我们在理论上也就不可能通过提高恒星质量的原初黑洞的初始成团性，规避掉现有的约束，使它成为暗物质的候选体。

更多谜团  

如果原初黑洞质量与恒星质量相当，这项分析已经排除了原初黑洞是暗物质的可能性。但在接下来的研究中，团队计划进一步研究原初黑洞的作用，看看它们是否可以解释其他有趣的天文观测结果，比如高红移星系的存在。

参考来源：

https://phys.org/news/2022-11-clustered-primordial-black-holes-dark.html

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.191302

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