原初（primordial）黑洞？暗物质（dark matter）？

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编译：李远哲

校对：牧夫天文校对组

后期：李子琦

责任编辑：王启儒

根据一项新的研究，原初黑洞可能广泛存在于宇宙之中，并以暗物质的特性存在。

研究表明，在宇宙形成早期，原初黑洞捕获了大量“暗电子”，这使其寿命远超普通黑洞。尽管有些匪夷所思，但正是上述过程导致了原初黑洞暗物质的特征。

黑洞扰乱周围时空的示意图

时间回溯到二十上世纪七十年代，史蒂芬.霍金指出：黑洞并非“漆黑”一片。由于黑洞接近无限的引力，其附近的真空与一定距离外的真空在密度上相差悬殊，从而事件视界与周围时空中的量子场之间存在着复杂的相互作用，正质量粒子正从黑洞向外“逃逸/激发”，故而黑洞能够缓慢但稳定地发出辐射（霍金辐射）。他们可以缓慢但稳定地发出辐射，这使得黑洞会失去自己的质量。黑洞体积越小，辐射越微弱，最终可能以粒子雨与辐射雨的形式消亡。

霍金与霍金辐射

霍金意识到，早期宇宙的奇特环境可能已经使宇宙充斥着原初黑洞，而黑洞代表了时空中极高密度的区域。如果这些原初黑洞足够小，我们今天应当能够看到他们的蒸发。

一段时间以来，宇宙学家认为原初黑洞极有可能是一种暗物质，而暗物质则是组成几乎所有星系质量部分的神秘物质。可惜的是，尽管已有数十年的观测，我们仍未发现任何原初黑洞蒸发的迹象。

第一张黑洞的照片（2019）

随着理论物理学家发现暗物质的几种可能性，有人提出暗物质可能遵循与普通物质截然不同的物理规则：可能存在多种以不同方式作用的暗物质粒子。举个例子，有别于日常的电子与光子相互作用，可能存在“暗电子”与“暗光子”相互作用——不仅是全新的粒子，甚至还有能躲过我们当前所有的观测手段 。

圣地亚哥与她的团队发现，如果暗电子在早期宇宙十分充盈，它们可以一种普通电子办不到的方式为原初黑洞“充能”。这些充能过的原初黑洞寿命将得到延长，甚至可达宇宙年龄的数倍。这意味着这些黑洞仍存在于当今宇宙之中，且作为暗物质的主要来源。

黑洞的结构（NASA）

严格来说，圣地亚哥团队还发现暗电子自身无需待在原初黑洞周边的现象。他们仅需在宇宙极早期（也就是在为原初黑洞充能的时候）出场。一旦它们完成了充能，暗电子可以自由自在地去做任何事情——也包括立刻从宇宙中消失。

关键在于，原初黑洞可以用足够的能量去抑制自身衰退并防止自己蒸发。通过引入暗电子和暗光子概念，规避了长期存在的影响。

这也解释了为何到现在我们还从未观察到原初黑洞蒸发——仅仅只是因为时辰未到。

我们所知的宇宙绝大部分（85%）由暗物质构成，其余才是日常所见的普通物质。

虽然该假说属推测，但有意思的是，科研人员还是找到了一种自洽的模型，既能使原初黑洞大量形成，又能让其通过充能延长寿命，最终数量足以解释宇宙中已知的暗物质总量。

接下来是验证这个模型，理想情况下，带电荷的原初黑洞不可能完美隐藏起来；否则我们就根本没有希望探测到它们，也就无从完善这一理论了。因此，肯定有某种我们尚未发现的方法，能让原初黑洞以某种方式被探测到。

这是至关重要的一步。但至少现在我们——哪怕是史蒂芬‘霍金——所能做的也仅是意识到早期宇宙的黑洞远比我们想象的要复杂。

——The End——

『天文湿刻』 牧夫出品

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Einstein cross & blackhole

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