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比沙粒还小、却重如小行星:暗物质会是这种黑洞吗?

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理论中,一些黑洞的质量可与小行星相当,视界却远小于一粒沙。这些尚未被确认的原初黑洞,也是暗物质的候选。一项新比较发现,有些黑洞模型对参数的要求,甚至比某些粒子模型更宽松。



原初黑洞艺术示意。亮环用于表现想象中的吸积盘,这类小黑洞未必能形成可见亮环。图源:NASA/Goddard。

这些黑洞,要比恒星更早出生

暗物质的线索来自引力。星系里恒星的运动、遥远光线被弯曲的程度,都指向一大批看不见的物质。新粒子是热门解释,原初黑洞也可能承担其中一部分质量。NASA的暗物质介绍把两类候选都列了出来。

我们熟悉的恒星级黑洞,可以在大质量恒星死亡时形成。原初黑洞则被设想诞生于宇宙最早期,那时连恒星都还没有。极端的早期条件,可能让某些区域直接坍缩,因此黑洞的质量可以远小于恒星。

这篇论文关注的小行星质量范围,目前仍允许原初黑洞承担全部暗物质。这个范围里的黑洞,质量比恒星轻得多;按质量与视界大小的关系计算,视界直径也远小于沙粒。它们究竟有没有形成、数量够不够,则还没有答案。

麻烦在于,要解释暗物质,光有黑洞还不够。理论得算出它们怎样形成、留下多少,总量是否能对上观测。有些方案对初始参数极其敏感,稍微改一点,预测的黑洞数量就差得很远。

于是,一个常见的质疑出现了:想得到刚好够用的黑洞,是不是非得把宇宙的参数调得过分精确?

把参数拧一点,结果会变多少

加州大学圣克鲁兹分校物理学家斯特凡诺·普罗富莫,把这个质疑变成了可以比较的计算。这项9月10日发表于《Physical Review D》的理论研究,在总览图中列出12种代表性情形,既有粒子,也有原初黑洞。



研究作者斯特凡诺·普罗富莫。照片沿用原报道,摄影:Carolyn Lagattuta,UC Santa Cruz。

可以把模型想成一台带旋钮的机器。旋钮控制质量、相互作用强弱等参数,机器最后输出暗物质的丰度。同样把一个旋钮拧动1%,有的模型只发生温和变化,有的结果却会剧烈偏离。

研究使用的敏感度指标,就是比较输入与输出各自变化的比例。这里所谓“自然”,意思是模型不那么依赖精细调参。这种判断常被用于选择研究方向。

粒子与黑洞,没有分成两队

结果里,一种涉及“畴壁”的黑洞形成方案,落在低敏感度一端。可以把畴壁理解为早期宇宙中不同场状态之间的边界;在这类模型里,边界网络中一部分结构的坍缩可以形成黑洞。

在论文考察的参数下,这种方案的敏感度为4.5,与部分粒子模型同处低敏感度区间。

另一端,一种通过希格斯共振控制湮灭的粒子情形,敏感度约为6500。它需要把参数卡得很准,才能留下所需的暗物质丰度。



论文图6:蓝色是黑洞方案,红色是WIMP粒子方案;横轴为对数刻度,条形越向右,参数敏感度越高。蓝色和红色都跨越多个区间;顶部带箭头的一项为估计下限。图源:Stefano Profumo,CC BY 4.0;文末附完整出处。

这张图里,黑洞与粒子的条形彼此穿插。决定结果的,是具体形成机制怎样把输入参数变成最终丰度。仅凭“这是粒子”或“这是黑洞”,无法替一个模型判断调参代价。

这里还得留意计算的范围。畴壁方案的低敏感度,只针对作者实际改变的那些参数;某些输入数值从哪里来、形成率估计有多可靠,还需要另外解释。因此,图上的敏感度不能当成理论正确的概率,也不能用来判定整个机制有多容易发生。

要把候选变成答案,还得找到这些黑洞,测清它们的质量和数量,再检查是否足以补上宇宙中那部分看不见的物质。

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