暗物质可能是黑洞？所有星系或镶嵌在巨大黑洞球体中

美国宇航局斯皮策空间望远镜拍摄的大熊座天区红外波段图像。最近，有科学家认为暗物质有可能是由宇宙早期的黑洞组成的，这一理论似乎与红外波段以及X射线波段的宇宙学观测结果相吻合，并且能够解释黑洞合并时的一系列现象

在屏蔽所有已知的恒星，星系以及其他任何已知物质之后，对图像进行增强，我们便看到了一些不规则的斑块。这就是所谓宇宙红外背景（CIB），其中颜色较浅的区域代表更为明亮的区域

综合起来考虑，最初一批恒星产生的红外波段辐射以及物质朝着黑洞下降过程中产生的X射线辐射将能够解释钱德拉与斯皮策空间望远镜所观测到的CIB以及CXB斑块不均一信号

而现在，美国宇航局的科学家们开展的一项研究表明，后一种观点似乎与红外波段以及X射线波段的宇宙学观测结果相吻合，并且能够解释黑洞合并时的一系列现象。

美国宇航局戈达德空间飞行中心的天体物理学家亚历山大·卡林斯基（Alexander Kashlinsky）表示：“这项研究的主要目的是将目前存在的各类观点和实际观测数据相互验证，看看两者之间是否吻合。结果我们发现这一理论与观测的吻合度惊人的好。”他说：“如果这一理论最终被证明是正确的，那么所有的星系，包括银河系在内，实际上可能都是镶嵌在一个巨大的黑洞球体包围之中，每一个黑洞的质量都相当于大约30倍太阳质量左右。”

在2005年，卡林斯基率领一个天文学家小组，利用美国宇航局的斯皮策空间望远镜对一个天区的红外波段背景进行了观测。他们报告称在这一红外背景中观测到一些亮度异常的斑块，他们认为这有可能是130亿年前宇宙诞生初期最早的一批恒星发出的光芒。后续观测确认，在天空的其他区域同样能够观测到“宇宙红外背景”（CIB）中类似的隐藏结构。

大约8年后，另一项研究致力于对美国宇航局钱德拉X射线望远镜的所谓“宇宙X射线背景”（CXB）数据进行分析，并将这一结果与同一天区的CIB红外波段数据进行对比。

研究组发现最初一批恒星发出的主要是可见光和紫外光，由于宇宙膨胀，这些光线的波长被拉长，从而变成了红外光，因此应该不会在X射线波段背景中产生重要的影响。

然而，低能X射线波段中显示的异常斑块特征与红外波段背景中显示的斑块特征几乎完全相同，而唯一在能级跨度上能够涵盖整个波长范围的已知天体就只有黑洞。

因此，研究组得到结论认为，早期宇宙中应当存在着大量原初黑洞，它们贡献了宇宙红外背景中至少1/5的红外辐射源。

目前美国宇航局正在对这一问题进行研究，作为阿尔法磁谱仪（AMS）和费米伽马射线空间望远镜的研究对象之一。

卡林斯基表示：“这些研究正在得到越来越高的灵敏度，逐渐缩小暗物质粒子参数的各项不确定性。”他说：“搜寻暗物质的不成功让我们对暗物质的本质可能就是原初黑洞的猜想产生了愈发浓厚的兴趣。”

物理学家们此前总结出了几条理论，能够解释高温且处于迅速膨胀状态中的早期宇宙如何能够 在宇宙大爆炸之后的数千分之一秒内产生原初黑洞。而相关理论也显示，宇宙的年龄越老，那么能够形成的黑洞质量就能越大。但由于能够产生这类黑洞的窗口期持 续时间非常短暂——只有大爆炸之后最初的一瞬间——远远不到一秒钟的时间——因此科学家们认为原初黑洞的质量应该都差不多大，它们相互之间的质量差异会很 小。

去年9月14日，一对13亿光年外的黑洞合并过程所产生的引力波信号被设在美国的“激光干涉引力波天文台”（LIGO）观测到。这一事件标志着人类首次直接探测到引力波信号。

这一信号也让LIGO的科学家们得以据此计算出这两个黑洞中单个黑洞成员的质量——结果显示分别为29倍和36倍太阳质量，误差约为 4倍太阳质量。研究人员们认为这样的黑洞质量实际上大的有些让他们意外，并且两者间的差值也出乎意料地小。卡林斯基表示：“取决于起作用的何种机制，原初黑洞的性质可以与LIGO所探测到的这两个黑洞非常相似。”他说：“如果我们假定事实的确如此，也就是LIGO捕捉到了发生在早期宇宙中两个黑洞的合并信号，那么我们就可以观察，这件事将会对我们有关宇宙最终如何演化的认识产生什么样的影响。”

在今年5月24日发表的一篇最新论文中，卡林斯基分析了如果假定暗物质的本质实际上就是类似LIGO所探测到的那类黑洞的话，事情将会如何发展。

黑洞的存在扭曲了早期宇宙中的质量分布，这一结果产生的微小震荡在数亿年之后，当最初一批恒星开始形成时产生了显著的影响。

在宇宙诞生之后的最初5亿年内，所谓的“常规物质”的温度仍然太高，因而难以聚集形成最早的恒星。

暗物质则不同，它们不会受到高温的影响，因为它基本上只与引力发生作用，与其他因素之间几乎不产生任何影响。于是，在相互间的引力作用下，暗物质最先开始聚集，并形成所谓的“超小晕”（minihaloes）结构。这种质量团块提供了一种引力“种子”，让后来的常规物质得以被吸引并附着其上——大量的高温气体开始在引力作用下向着这些超小晕结构聚集，随着温度的下降，这些逐渐聚拢的常规物质发生进一步凝聚和塌缩，第一批的恒星就此诞生了。

卡林斯基的工作表明，如果黑洞的确是组成暗物质的重要成分，那么这一过程的发生将会迅速的多，并进而产生在斯皮策望远镜探测到的CIB数据中的那种斑块不均一性特点，即便只有很小一部分的“超小晕”结构最终能够产生恒星，情况也是一样。

随着空间中的气体物质向“超小晕”聚集，组成这些“超小晕”的黑洞自然而然的将会吞噬掉其中的一部分气体物质。

而物质朝着黑洞盘旋下降的过程将会产生加热并释放X射线。综合起来考虑，最初一批恒星产生的红外波段辐射以及物质朝着黑洞下降过程中产生的X射线辐射将能够解释钱德拉与斯皮策空间望远镜所观测到的CIB以及CXB斑块不均一信号。

偶然的，有些原初黑洞可能会相互运动到比较接近的位置上，从而互相吸引并成为一个相互绕转的双黑洞系统。这样一个系统将会不断释放引力波信号，在此过程中丢失轨道动能并不断相互接近，最终，两者将会发生合并成为一个质量更大的黑洞，就像LIGO在去年所探测到的那样。

卡林斯基表示：“未来LIGO的后续观测工作将告诉我们更多有关宇宙中黑洞数量的信息。相信在不久之后，我们就将能够了解到，关于黑洞与暗物质关系的理论是否是正确的。”