暗物质是原初黑洞吗？（上）
当今物理学、天文学、宇宙学都有一个共同的谜题，这也被誉为现代科学中的最大谜题，它就是宇宙中的双暗谜题。也就是暗物质和暗能量到底是什么之谜。本期《环球科学有故事》的话题就是暗物质到底是什么？
首先，我们要先来说明一下什么是暗物质？如果你是第一次听到这个话题的话，现在肯定有点晕了，我前一句话还是现代科学的最大谜题是：暗物质是什么？后一句话就是来告诉你什么是暗物质？听上去很奇怪啊。呵呵，是有点绕，但不奇怪。什么是暗物质就是告诉你暗物质这个名称的来历，让你知道科学家们正在研究的这个神秘物质的来龙去脉。
话说 1933 年，在美国加州理工学院有一位叫做兹威基（Zwicky，1898 年 – 1974 年）的年轻天文学家，正在着迷地研究后发座星系团。这是一个位于狮子座附近，由差不多 1000 多个大星系和几万个小星系组成的巨大的星系团。兹威基试图测算出这个星系团中星系的平均质量，他有两种方法可以测算，一种称之为“动力学质量”，要用到一个叫维里定理的公式。需要先测出星系团中星系之间的相对运动速度，然后套几个公式，最后就能估算出该星系团中星系的平均质量了。还有一种方法称为“光度学质量”，这个比较好理解，就是先测量星系的亮度，然后就可以估算大约需要多少物质，才能发出这样的亮度来。按理说，用这两种方法测算出来的星系平均质量应该是差不多在同一个数量级上，但兹威基计算的结果是“动力学质量”居然比“光度学质量”整整大了 160 多倍。虽然我们今天知道，兹威基低估了后发座星系团离我们的距离，从而低估了星系的光度学质量，但是即便是按照今天的数据，两种质量的比值依然大得离谱。
兹威基看到自己的计算结果后，那是捏呆呆地出神啊：难道牛顿定理在后发座星系团失效了？但他很快就想到，也许还有一个更合理的解释：会不会是在后发座星系团中存在着大量不发光的物质呢？这个解释听上去合理多了，而且后发座星系团距离地球足足有 3.5 亿光年之遥，有一些物质不发光，或者发光很微弱，在地球上根本观测不到，这也是很好理解的。于是，兹威基就在论文中猜测，在后发座星系团中包含大量暗物质，也就是不发光或者相对很暗的物质，而且这种物质占到了该星系团中物质总量的99%。这是暗物质这个词第一次出现在学术论文中。但兹威基并没有觉得这个猜测有多么了不起，或者根本就没有意识到，他无意中触碰到了一个宇宙的惊世之谜。只过了一年，兹威基的注意力就完全被宇宙中的另外一种迷人天体“超新星”吸引过去了。这一搁置，就是 50 多年没人理会，兹威基也在 1974 年去世，他没有等到自己提出的暗物质惊动全世界的那一天。
然后就是到了上世纪六十年代，美国有一位女天文学家叫鲁宾（Rubin，1928 年 - ）。她在研究银河系的转动时，和兹威基一样，她产生了一个巨大的困惑。什么呢？银河系外侧的恒星绕银河系中心转动的速度，比用理论推算出的数值大了太多。这一发现让鲁宾大惑不解，也激发了她深入研究的兴趣，这一研究就持续了十几年。她取得了大量详实的观测数据，又做了仔细的计算，她发现，如果要维持银河系目前的转动速度，又不让银河系分崩离析，银河系的总质量必须远远高于目前已经观测到的所有可见天体的质量。打个比方来说，如果我们用沙子捏一个陀螺，把这个陀螺旋转起来，那么转速一快，沙陀螺肯定会被转散架，因为沙子与沙子之间的结合力不足以维持向心力。要让沙陀螺不散架，就得拿胶水和在沙子里面。如果把银河系想象成一个沙陀螺，那么万有引力就是胶水，这个胶水的强度决定了陀螺的转速最高能到多少。现在，我们已经观测到了银河系的转速，那么就能反算出总的引力大小，进而算出银河系的总质量。鲁宾确定无疑地发现，银河系的大部分质量“丢失”了。于是，1980 年，她和同事发表了一篇论文，详细描述了他们的发现。这是天文学史上第一篇有关暗物质的重量级论文，影响很大。
不过鲁宾的发现只能算作暗物质存在的间接证据，真正的第一份直接证据出现在 2006 年。那一年，以道格拉斯·克洛为首的一队美国天文学家，利用钱德拉X射线望远镜对一个编号为 1E 0657-56 的星系团进行观测时，无意间观测到星系碰撞的过程。星系团碰撞威力之猛，使得暗物质与正常物质分开，因此发现了暗物质存在的直接证据。如果大家想看这张当时引起全世界轰动的照片，可以到科学有故事的微信公号中回复本期节目的代号hq01查看。
原始论文截图
论文下载地址
http://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657/media/paper.pdf
到了这个时候，暗物质在科学界已经是一个非常热门的研究课题了，起初的时候，人们还是挺乐观的，觉得很快就能把暗物质给搞清楚。不就是一些不发光的天体嘛，宇宙中有的是不发光的天体，比如像地球这样的行星就是不发光的，还有褐矮星，褐色的褐；棕矮星，棕色的棕；这些都是质量相对普通恒星较小，亮度相对很暗的恒星，因为距离遥远，我们在地球上观测不到嘛。当然，还有黑洞，那就更不发光了，否则就不叫黑洞了。这些不发光或者发出很暗淡光晕的天体在天文学上有一个统称，就是大质量致密晕天体，晕就是光晕的那个晕。英文缩写是 MACHO，为了我叙述的方便，我后面把它简称为暗天体。在最初的几十年，天文学家们把目标锁定在了这种暗天体上，要知道，根据计算，暗天体是普通天体的五倍多，也就是说我们银河系中应该充斥着这种暗天体。但是由于这些天体太暗，无法用光学或者射电望远镜看到，所以，探测他们的主要方法就利用微引力透镜效应。因为有质量的天体产生的万有引力会使得经过的光线发生偏折，这就跟透镜可以偏折光线一样，所以称为微引力透镜效应。这种效应的一个直接后果就是当暗天体在背景恒星前经过时，会让恒星的星光暂时增强，于是这颗恒星会看上去显得更明亮一些。
于是，根据这个原理，天文学家们就开始对大小麦哲伦星云中的数百万颗恒星进行了长达数年的仔细观测。为啥是大小麦哲伦星云呢？因为这两片星云是离银河系最近的两个河外星系，也称为银河系的卫星星系，用肉眼就能看到。这两片星云确定是在银河系之外的星系，所以，当它们中的恒星发出的星光到达地球上，必然要差不多穿过银河系，那么银河系中的暗天体就会因为微引力透镜效应使得大小麦哲伦星云中恒星的亮度产生可观测的变化。但是，数年的观测结果显示，银河系中根本没有那么多的暗天体。这些观测结果足以排除10倍太阳质量以上的暗天体是暗物质的主要成份的可能性。换句话说，天文学家们对暗物质的第一次搜寻以失败而告终。
这个问题不光是引起了天文学家的兴趣，也引起了粒子物理学家们的极大兴趣。他们用他们自己的职业嗅觉就提出了暗物质的另外一种猜想，起的名字也很不明觉厉，叫做弱相互作用大质量粒子，简称为 WIMP。简而言之，他们猜想暗物质是充满在宇宙中的一种微观粒子，这种粒子质量很大，但是却不与电磁波发生相互作用，不管是在可见光波段还是在非可见光波段，所以我们看不到。为了叙述的方便，我后面就把它们叫做暗粒子。到目前为止，尽管科学家们使用粒子加速器、地下探测器和空间望远镜搜索了几十年，但仍然没有找到它们存在的证据。随着暗粒子搜寻的零结果越来越多，粒子物理学家们也不免越来越焦虑。在这种背景下，自然又会有各种各样的猜想冒出来。
《环球科学》 8 月号这期刊登了两位物理学家的一篇文章，主要介绍对暗物质的另一种猜想。我们先来认识下本文的两位作者。他们是一男一女，男的叫胡安·加西亚·贝利多，马德里大学理论物理研究所教授，他还是欧空局欧几里德计划和 LISA 项目的成员。欧几里德计划是欧空局的一项暗物质探测计划，他们计划在 2020 年发射一颗暗物质探测卫星上天，就好像我国的悟空计划。LISA项目就更牛了，他是NASA和欧空局合作的一项空间引力波天文台计划，耗资巨大，目标远大，官方公布的预计投入运行时间是 2034 年，还早呢，而且大型天文项目一般都要推迟，很少有准点的。另一位女作者叫塞巴斯蒂安·克莱斯，是比利时宇宙学家，克莱斯也是欧几里德计划的成员，也是 SKA 平方公里阵列合作组织的成员。这个 SKA 要向各位听众好好宣传一下，他是一项由中国、澳大利亚等国为首，20 个国家参与的大型射电望远镜阵列项目，这项计划雄心勃勃，计划在澳大利亚和南非建设几千台串在一起的射电望远镜，使得总接收面积达到一平方公里，灵敏度要比现有的最大阵列提升 50 倍，总预算已经超过了 142 亿人民币。这个项目在中国的强力带动下，目前已经开始建设了，预计2024 年建成。
虽然作者提出的猜想并非原创，但是本文作者的一些研究成果促成了这个猜想的形成。最早对暗物质的猜想就是暗天体，但是后来逐渐遭到冷落，科学家们都对暗粒子情有独钟，但是几十年了，无数的金钱砸下去，除了得到了越来越多的以“排除”为定语的结果，我们没有找到暗粒子，最多只是知道了暗粒子不是这个、不是那个。在这种背景下，这两年，一些研究者开始重新考虑暗天体假说。他们找到一个新的候选者，那就是原初黑洞，原始的原，初级的初，听着名字大概就能猜到，这是在宇宙大爆炸时期形成的最早一批黑洞。
物理学家伯纳德·卡尔（Bernard Carr）和斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在 20 世纪 70 年代提出了原初黑洞的想法，但是他们提出的原初黑洞是一种比一座山的质量还小，尺度在微米甚至纳米级别的黑洞，所以也叫微黑洞。在我们这个年龄大约为138亿年的宇宙中，这些非常小的黑洞可能已经通过霍金自己发现的霍金辐射蒸发殆尽了。所以卡尔和霍金的原初黑洞对宇宙当前暗物质的贡献应该可以忽略。但是，根据宇宙暴胀理论，应该还有另外一种大质量的原初黑洞。1996 年，本文作者加西亚－贝利多和斯坦福大学的安德烈·林德（Andrei Linde）以及英国普茨茅斯大学的戴维·万兹（David Wands）发现，暴胀通过某种途径，可以在早期宇宙的密度涨落谱上形成尖峰。也就是说，被暴胀极度放大的量子涨落，可以自然地产生特别致密的区域，这些区域可能在暴胀后不到1秒的时间内塌缩形成一群黑洞。这些黑洞很可能就是暗物质，主导现在宇宙的物质成分。这个模型不是一个一个产生黑洞，而是一产生就是一群质量相同的黑洞，质量由塌缩区域内包含的能量决定。
2015 年，本文的两位作者克莱斯和加西亚·贝利多又共同提出了一种新的图景。这个图景与 1996 年的类似，但原初涨落的能量密度和空间尺度都会呈现出一个较宽的分布峰，导致原初黑洞有较宽的质量范围。这个图景的一个关键结论是，存在许多空间上非常接近的大密度坍缩区域，从而会产生一群聚集在一起的黑洞，这些黑洞大小不等——从 100 倍太阳质量到 10000 倍太阳质量。在大爆炸后 50 万年内，每个增长、演化的黑洞群都可能在仅仅数百光年跨度的区域内容纳数百万个原初黑洞。
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