量子场论揭示了早期宇宙令人惊讶的黑洞短缺问题

研究人员将通常用于研究极小物体的广为理解和高度验证的量子场论应用到了一个新的目标--早期宇宙。他们的探索得出的结论是，微型黑洞的数量应该比大多数模型所显示的要少得多，不过很快就可以通过观测来证实这一点。这种特定的黑洞可能是暗物质的竞争者。

这项研究由东京大学早期宇宙研究中心（RESCEU）和卡弗里宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU，世界知识产权组织）的研究人员进行，最近发表在《物理评论快报》上。

探索宇宙可能会让人不知所措，所以让我们确保大家都在同一起跑线上。尽管细节还很模糊，但物理学家们普遍认为，宇宙大约有 138 亿年的历史，始于"砰"的一声巨响，在一个被称为"暴胀"的时期迅速膨胀，并在某一阶段从单一变得包含细节和结构。

宇宙的大部分是空的，但尽管如此，它似乎比我们所能看到的要重得多--我们称这种差异为暗物质，没有人知道这可能是什么，但有证据表明，它可能是黑洞，特别是古老的黑洞。

研究发现，小尺度上产生的大振幅波动如何放大了宇宙微波背景中观测到的大尺度波动。图片来源：© 2024 ESA/Planck Collaboration，由 Jason Kristiano CC-BY-ND 修改

研究生杰森-克里斯蒂亚诺（Jason Kristiano）说："我们称它们为原始黑洞（PBH），许多研究人员认为它们是暗物质的有力候选者，但需要有大量的原始黑洞才能满足这一理论。由于其他原因，它们也很有趣，因为自从最近引力波天文学创新以来，已经发现了双黑洞合并的现象，如果PBH大量存在，就可以解释这种现象。但是，尽管有这些强有力的理由说明它们的预期丰度，我们却没有直接看到过，现在我们有了一个模型，应该可以解释为什么会出现这种情况。"

克里斯提亚诺和他的导师、现任卡弗里 IPMU 和 RESCEU 主任的横山纯一教授对 PBH 形成的各种模型进行了广泛的探索，但发现主要的竞争者与宇宙微波背景（CMB）的实际观测结果不一致，而微波背景就像是宇宙大爆炸留下的指纹，标志着宇宙的开始。如果与实际观测结果不符，那么它要么不可能是真的，要么充其量只能描绘出部分画面。

在这种情况下，研究小组采用了一种新颖的方法来修正宇宙膨胀形成 PBH 的主要模型，使其与当前的观测结果更加吻合，并可通过世界各地地面引力波观测站即将进行的观测进一步验证。

"起初，宇宙小得令人难以置信，远小于一个原子的大小。宇宙膨胀迅速将其扩大了 25 个数量级。当时，穿过这个微小空间的波可能具有相对较大的振幅，但波长很短。"横山说："我们的发现是，这些微小但强烈的波可以转化为我们在目前的 CMB 中看到的更长波的莫名放大。"

"我们认为，这是由于这些早期短波之间偶尔出现了相干现象，这可以用量子场论来解释，量子场论是我们用来描述光子或电子等日常现象的最可靠理论。虽然单个短波相对来说没有力量，但相干的短波群却有能力重塑比它们大得多的短波。这是一个罕见的例子，一个极端尺度上的理论似乎可以解释尺度另一端的现象"。

如果正如克里斯蒂安诺和横山所说，宇宙早期的小尺度波动影响了我们在CMB中看到的一些大尺度波动，那么这可能会改变对宇宙粗大结构的标准解释。但同时，鉴于我们可以利用对 CMB 中波长的测量来有效地约束早期宇宙中相应波长的范围，它必然会约束任何可能依赖于这些较短、较强波长的其他现象。这就是PBH的作用所在。

克里斯蒂亚诺说：人们普遍认为，早期宇宙中短而强的波长坍缩是产生原始黑洞的原因。我们的研究表明，如果PBH确实是暗物质或引力波事件的有力候选者，那么PBH的数量应该远远少于需要的数量。

在撰写本文时，世界上的引力波天文台--美国的LIGO、意大利的 Virgo 和日本的 KAGRA正在进行一项观测任务，目的是观测第一个小黑洞，很可能是 PBH。无论如何，这些结果能为研究小组提供确凿的证据，帮助他们进一步完善自己的理论。

参考资料

DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.221003

DOI: 10.1103/PhysRevD.109.103541

编译来源：ScitechDaily