亞當·曼

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大約五年前的一天，伊利·科維茲（Ely Kovetz）正在巴爾的摩的約翰·霍普金斯大學與他的同事共進午餐，討論了一個誘人的謠言。像物理學界的許多人一樣，科維茨也聽到了來自新近運作的美國物理學天文臺發出的可能訊號的嗡嗡聲。該天文臺的設計目的是解決時空結構中的干擾，

黑洞

相互撞擊等造成的漣漪。最有趣的是，訊號似乎是由巨大的物體產生的，遠比任何人預期的都要重。這指出了一些令人大跌眼鏡的可能性。

“每個人心中的第一個念頭是，‘什麼？不能這樣 這是不可能的！’”以色列本古裡安大學的

物理學家

，約翰·霍普金斯大學的訪問學者Kovetz回憶道。但是，隨後出現了更加令人興奮的懷疑。他們認為，也許這可能是原始黑洞的跡象。

從時間的黎明黑洞！這聽起來像是一部科幻B電影的標題，但是在我們的宇宙誕生之後的幾分之一秒內，大量的黑洞可能是由瀰漫在宇宙中的熾熱能量自發形成的。這些原始的黑洞受到數學和理論的支援，但從未得到明確的觀察，這可能使物理學家著迷了近半個世紀，隨著新的觀察似乎支援或排除了它們的存在，這種黑洞得到了越來越多的流行。

來自美國天文臺（LIGO）的令人費解的2015年訊號是鐳射引力波天文臺，而天文臺及其歐洲同行處女座（Virgo）進行了數十次探測，激發了對該想法的新興趣，並發表了數百篇論文在最近五年中發表在他們身上。

原始的黑洞（如果存在）將是不發光的巨大實體，從而使其不可見。由於它們將散佈在整個宇宙中，因此它們可以幫助人們理解迄今為止尚無解釋的各種各樣奇怪的觀察結果。研究人員被這些奇怪的黑洞吸引的主要原因之一是，它們可以解決天體物理學中最大，最令人困擾的謎團之一：

暗物質

的身份。

即使他們看不到它，物理學家也知道暗物質的存在，因為在整個宇宙中都可以看到它的引力作用。但是它是由什麼製成的，沒人知道。大規模的原始黑洞可能是人們長期以來尋求的答案。如此巨大的沉重物體可能還充當了早期星系聚結的錨點，這是另一個長期以來一直無法解釋的難題。

儘管仍然持懷疑態度，但真正的信徒卻熱切期盼著新的望遠鏡專案和天空勘測，最終可能將這些迷人的野獸從投機領域引入現實領域。

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眾所周知，超大質量的黑洞潛伏在幾乎所有星系的心臟中，例如在該畫家的描繪中看到的那樣。新的工作表明這些巨大的野獸可能是在時間的黎明誕生的。圖片來源：NASA / JPL-CALTECH

MACHO和WIMP

普通的黑洞是由死亡引起的。當一顆大

恆星

到達壽命盡頭時，它會爆發出壯觀的超新星。恆星的重核可能重達太陽質量的至少幾倍，然後坍塌形成一個緊湊的物體，即使光線無法逃脫其引力，其密度也很高。黑洞誕生了。

1970年代，發光物理學家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和他的博士生伯納德·卡爾

（

Bernard Carr）

提出了另一種可能的

黑洞

建立渠道

。眾所周知，在大爆炸之後不久，宇宙就充滿了濃厚的輻射湯和夸克，膠子，質子和中子的構成要素等基本粒子。湯中自然密度的變化將使一些區域的材料更多，而一些區域的材料更少。霍金和卡爾的方程表明，具有足夠輻射量和堆積在其中的粒子的區域可能自身塌陷，並形成了可能尺寸範圍很廣的黑洞。

這個想法被擱置了，但是在1990年代，隨著關於可能構成暗物質的爭論開始白熱化，這一想法逐漸塵埃落定。神秘物質被引力吸引到恆星和星系上，並使它們旋轉得比預期的快得多。觀察表明，這種看不見的暗物質無處不在，以至於我們在宇宙中看到的物質比我們看到的多五比一。

一個陣營贊成這樣一種解釋，即暗物質是由包括黑洞在內的緻密物體組成的，從一開始便有大量原始物體構成，以幫助解釋大量的暗物質。 （MACHOs）。競爭對手的科學家更喜歡被稱為弱相互作用質量粒子（WIMPs）的前景，這是迄今為止未被發現的亞原子粒子，可以在不可見的情況下施加引力。

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一個藍色的環狀物體被稱為“宇宙馬蹄鐵”（Cosmic Horseshoe，右中）環繞著巨大的紅色星系。當前景中的紅色星系的重力放大並扭曲後面的一個遙遠的古老星系的光線時，就會產生馬蹄形。這種偶然的對準會產生透鏡效應，這可能使天文學家發現原始黑洞在太空中漂移的證據。圖片來源：ESA / HUBBLE和NASA

根據物理定律，MACHO將扭曲自身周圍的時空，形成類似透鏡的區域，從而產生可觀察到的扭曲。當來自遙遠恆星的光線穿過這些透鏡時，地面望遠鏡應該可以看到恆星短暫變亮。然而，當天文學家搜尋此類閃光時，他們發現幾乎沒有可歸因於MACHO的例項，這促使大多數物理學家將注意力集中在由WIMP構成暗物質的想法上。

但是一些研究人員從未完全放棄對暗物質中黑洞的某些作用的希望。其中包括卡爾（Carr），他現在在英國倫敦瑪麗大學（Queen Mary University）任職，他最近與他人合著了

《核與粒子科學年鑑》中

有關原始黑洞的

論文

。他說：“原始的黑洞是理想的候選者。” “我們確實知道存在黑洞。您不會呼叫我們目前沒有證據的某些粒子。”

夜晚顛簸

在過去的幾十年中，到目前為止，對WIMP的搜尋一直空手而歸，儘管並非缺乏嘗試。致力於揭露它們存在的巨大檢測器已經見識到了日內瓦附近強大的粒子加速大型強子對撞機尚未發現任何意料之外的新亞原子實體的跡象。因此，當檢測到新的LIGO訊號時，一些研究人員已經遠離WIMP的想法，引發謠言並將注意力轉移到黑洞MACHOs上。

2015年檢測到的LIGO訊號被證實是兩個黑洞之間巨大碰撞的chi聲，每個黑洞重約30個太陽質量。這些物體奇怪地笨重—太大，以至於如果它們是由坍縮的恆星創造的，這些恆星的質量將高達我們太陽質量的100倍。科維茲說，這麼大的野獸在宇宙中應該很少見，因此，LIGO要麼很幸運就首次發現並發現了一個非常不尋常的事件，或者如果坍縮的恆星是唯一的起源，那麼它會比物理學家所期望的那樣有更大的黑洞。在第二年宣佈這一發現後，三個不同的研究小組提出這些物體不是由恆星誕生的，而是在恆星存在之前的黎明誕生的。

“當我寫這篇論文時……我完全期望有人會提出某些理由，使它絕對不可能成立。”加利福尼亞大學河濱分校的宇宙學家西梅恩·伯德（Simeon Bird）說，他的文章與科維茲（Kovetz）等人合著，是第一個登場的人。取而代之的是，LIGO繼續從這個巨大質量範圍內的其他黑洞中捕獲了其他訊號，在尚未減弱的理論物理學家中掀起了一陣激動人心的活動。

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如果存在原始的黑洞，一些研究人員認為它們可能會聚整合一個元件，其中一些較重的元件被許多較輕的元件包圍，如下所示。新的望遠鏡正在尋找來自這種假定的黑洞集合的訊號。圖片來源：Ingrid Bourgault / Wikimedia Commons

新的訊號發出之時，是我們對大爆炸後立即出現的熾熱狀況的理解（當時會形成原始的黑洞）已被新的理論模型極大地改善了。Carr等人最近的一項研究表明，在大爆炸之後大約一百萬分之一秒，時空的膨脹會導致溫度和壓力的下降，而溫度和壓力的下降可能會以正確的方式排成一行，從而產生相對較小的質量較黑洞類似於太陽。不久之後，情況發生了變化，有利於出現大約有30個太陽質量的沉重黑洞。

這些模型還表明，在宇宙歷史的過程中，這些各種原始的黑洞可能已經相互發現了。在引力的作用下，黑洞可能已經形成了簇，多個較小的物體圍繞著一箇中心的巨型黑洞滑動，這就像電子經常被拉動繞原子核旋轉一樣。

這就可以解釋為什麼90年代的MACHO獵人沒有看到足夠的物體來解釋暗物質：他們只是在尋找由較小型別的黑洞產生的引力透鏡。較小物體的透鏡會更緊湊，並且隨著它們在銀河系中漂浮，它們將花費不到一年的時間才能透過恆星，從而使它們的光線變亮然後相對較快地變暗。如果在星團中發現黑洞，那麼時空上更大的引力扭曲將需要更長的時間才能透過一顆遙遠的恆星，數年甚至數十年。

銀河任務

大爆炸後大約15秒鐘，可能還會出現另一種黑洞。根據目前的計算，這些黑洞的重量將是太陽質量的一百萬倍，其大小足以解釋

星系

的

起源

。

望遠鏡在很遠的距離發現了相當

發達的星系

，這意味著它們是在宇宙歷史的早期形成的。令人費解的是，由於星系是巨大的結構，至少

在計算機模擬中

，它們需要很長時間才能從整個宇宙中發現的緩慢而劇烈的氣體和塵埃漩渦中建立起來。但這是迄今為止天文學家提出其形成的最好解釋。

原始的黑洞可能會提供一條更容易的路線。考慮到幾乎所有星系的中心都有一個巨大的黑洞，因此 這些引力巨星似乎有可能作為起點，從而有助於在宇宙歷史的早期將物質吸引到最早的原星系中。隨著宇宙的發展，這些較小的星系將在萬有引力的作用下相互吸引，然後墜毀併合併為今天看到的更大的星系。

卡爾和他的同事已經開始考慮原始黑洞可能比任何懷疑的人都廣泛傳播的可能性。從理論上講，大爆炸發生後不久的情況可能還會產生質量甚至比地球大10倍的甚至更小的行星級黑洞。實際上，調查發現在整個銀河系中漂浮著微小的引力透鏡，看到它們在恆星前方透過並導致其光快速閃爍。大多數天體物理學家將這些透鏡歸因於從其母恆星系統中射出的大型，徘徊的行星。但並非所有人都同意。

其中包括馬德里自治大學的理論物理學家胡安·加西亞·貝利多（JuanGarcía-Bellido），他聲稱這些鏡片是由原始的黑洞造成的。加西亞·貝利多（Carcía-Bellido）是卡爾最近的論文的合著者之一，他對原始黑洞的想法仍然頗為不滿。

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新的維拉·C·魯賓天文臺在智利正在建造中，計劃於2023年下半年開始執行，將用於掃描夜空以尋找原始黑洞的證據。信用：魯賓OBS / NSF / AURA

但是其他人不確定黑洞是否像暗物質一樣普遍存在。“我認為這不太可能，”英國諾丁漢大學的宇宙學家安妮·格林說。該理論的一個問題是，在整個宇宙中具有大量的多太陽質量黑洞將具有從未發現過的各種可見效果。她補充說，由於這些物體消耗了氣體和灰塵，因此它們應該發射出大量無線電波和X射線，以釋放它們的存在。

關於暗物質，早期宇宙的理論模型還需要進行大量調整，以使它們吐出正確數量的黑洞，以匹配我們所知道的暗物質的數量。格林說：“事實證明，要想出製造出適量黑洞的模型非常困難。”

甚至一些更大的原始黑洞愛好者也不再對LIGO檢測到的黑洞型別可以解釋宇宙中所有暗物質的前景感到樂觀。科維茲說，如果許多黑洞潛伏在整個太空中，那麼天文學家們將會看到更多的影響。他仍然認為，它們可能會做出一些貢獻，更籠統地說，包括LIGO檢測到的更大尺寸的原始黑洞可能加起來足以解釋暗物質。但是，“就個人而言，我失去了一些動力。”

好訊息是，新儀器可能能夠幫助物理學家很快找到問題的根本。LIGO和處女座目前正在升級，並且已經加入了名為KAGRA的日本重力波探測器。未來幾年，印度樂器也將開啟。

這些設施的觀測結果可能最終會以一種或多種方式使天平傾斜。如果天文臺發現一個太陽質量等於或小於一個太陽質量的小黑洞，這是恆星演化不可能產生的，那麼它將為至少一種原始黑洞提供令人振奮的確定性證據，使它們成為對暗物質更具吸引力的解釋。和星系的形成。

除了尋找很小的黑洞外，科學家還可以透過發現恆星存在之前形成的黑洞來達成協議。這可能超出了現有天文臺的能力，但是歐洲航天局計劃在2030年代發射一種稱為鐳射干涉儀空間天線（LISA）的新型，高度敏感的太空探測器，這也許可以完成任務。

加西亞·貝利多（García-Bellido）等人正計劃使用另一項計劃於2023年開始執行的新儀器-智利的維拉·魯賓天文臺（Vera C。Rubin Observatory），以尋找在多年時間尺度上變亮的恆星，這可能是黑洞星團在中空漂移的證據。天堂。至少有一些研究人員期望，在三到四年的時間裡，他們可能最終對原始黑洞是否存在有一個確切的確切答案。

在那之前，科學家們將坐在他們的座位邊緣，試圖對暗物質保持開放的態度。也許，這種神秘物質可能會由許多東西組成，包括奇異粒子和黑洞。伯德說：“宇宙是凌亂的，裡面有很多東西。” “我有點相信宇宙喜歡讓物理學家感到困難。”