NASA科学家发现原初黑洞与暗物质之间可能存在联系

“这个研究旨在将广泛的理念和观测结果结合起来以检验它们究竟能吻合地多好，令人惊讶的是，匹配程度非常高。”一位来自NASA戈达德的天体物理学家亚历山大?卡什林斯基（Alexander Kashlinsky）说，“如果结果正确，那么所有银河系，包括我们自己，就生活在一个由很多质量为太阳的30倍的黑洞构成的巨大范围中。”

2005年，卡什林斯基带领一队天文学家用NASA的斯皮策太空望远镜来探测一部分天空的红外线背景光。研究员发现背景光中存在大量斑块分布，并且认为它可能是由超过130亿年前，照亮宇宙的第一代亮源的光线聚集造成的。。之后的研究证实了天空的其他部分的宇宙红外线背景辐射（CIB）也有类似的出人意料的结构。

这幅来自NASA斯皮策太空望远镜的图像展示了大熊座所在天区的红外视图。

在遮住了所有已知的恒星、星系和人造卫星后，对剩下的图像进行增强，就得到了不规则的背景光。这是宇宙红外线背景辐射（CIB）；更浅色指示更亮的区域。CIB背景光比遥远未知星系可以解释的更加不规则，而这种额外的结构被认为是宇宙年龄不到10亿年时所发射的光。科学家们阐释说，该背景光可能是由宇宙中形成的第一代明亮天体产生的，包括第一代恒星和黑洞。

图片来源：NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (Goddard)

2013年，另一项研究对比了NASA钱德拉天文台探测的同一块天空的宇宙X射线背景辐射（CXB）和红外线背景辐射。第一代恒星发出的主要是可见光和紫外线辐射，由于空间的膨胀，它们被拉长进入了红外线波段，所以它们不应该对宇宙X射线背景辐射有影响。

然而在宇宙X射线背景辐射中低能X射线的不规则背景光与宇宙红外线背景辐射中的斑块的匹配度很高。我们唯一知道的在这么广的能量范围内都有足够大的光强的物体就是黑洞。这支研究团队总结称原初黑洞在最早期的恒星之间分布一定很普遍，在宇宙红外线背景辐射的辐射源中占到了五分之一的比例。

暗物质的本质仍然是天体物理学中非常重要的未解之谜之一。科学家目前更倾向将暗物质解释为大质量奇异粒子的理论模型，但到目前为止所有研究都没有成功找到能到证明这些假想粒子真实存在的证据。NASA目前将研究这个问题作为阿尔法磁谱仪和费米伽马射线太空望远镜任务的一部分。

“这些研究提供了越来越灵敏的结果，逐渐减小了参数的搜索范围，使暗物质无处可藏。”卡什林斯基说，“寻找暗物质的失败带领我们重燃对原初黑洞——宇宙诞生之初的几分之一秒形成的黑洞——对暗物质的影响的兴趣。”

物理学家们已经提出几种让大爆炸千分之一秒后温度极高，膨胀极快的宇宙能够形成原初黑洞的方式。在这些机制下，宇宙的年龄越大，可以形成的黑洞越大。而且由于创造黑洞之窗只存在几分之一秒，科学家们预测原初黑洞的质量范围很小。

去年9月14日，位于华盛顿州汉福德及路易斯安那州利文斯顿的激光干涉引力波天文台（LIGO）捕捉到两个13亿光年前的黑洞并合所发出的引力波。这是我们第一次探测到引力波也是第一次直接观测到黑洞。这次的信号为LIGO的科学家们提供了有关黑洞质量的信息，它们的质量是29和36太阳质量，正负约4太阳质量。这些值都惊人的大而且相似。

“依据机制的不同，原初黑洞可能与LIGO探测到的黑洞有相似的性质。”卡什林斯基解释说，“如果我们假设是这样——LIGO捕捉到了两个形成于早期宇宙黑洞的并合，我们可以看到这对我们理解宇宙最终演化的影响。”

如果原初黑洞的确存在，可能与LIGO团队在2015年探测到的并合双黑洞相似。这个计算机模拟以较慢的速率展示了这次并合过程在近处观察的样子。黑洞周围的环叫爱因斯坦环，是由于在双黑洞正后方的所有恒星发出的光线受到引力透镜作用被扭曲之后造成的。LIGO所探测到的引力波并未在视频中展示，尽管其效应可以从爱因斯坦环中可以看到。向黑洞后方传播出去的引力波扰动了包括爱因斯坦环在内的星象，甚至使它们在并和已经结束之后仍在环内晃动。如果以真实时间尺度回放的话，这个视频将只持续1/3秒钟。

视频来源：SXS（极端时空模拟项目） Lensing

在5月24号发布的天体物理杂志通讯上，卡什林斯基在他的新论文中分析了如果暗物质是由一些如LIGO探测到的黑洞形成将带来的后果。黑洞扭曲了早期宇宙的质量分布，其所带来的微小涨落，对几亿年后第一代恒星形成时的宇宙仍造成影响。

在宇宙形成的前5亿年，常规物质的温度太高，无法并合形成第一代恒星。暗物质不会被高温影响，因为不管它的本质是什么，它主要通过引力产生相互作用。彼此之间的吸引将暗物质聚合，使其坍缩形成小块，即“超小晕”结构，这种结构播下了使得常规物质能够聚集的引力种子。高温气体向“超小晕”塌缩，形成了密度足够高的能够自己进一步塌缩形成第一代恒星的气体团。卡什林斯基证明了如果黑洞与暗物质有关联，这个过程将会发生得更快，并且即使只有一小部分超小晕得以形成恒星，也能很容易地形成斯皮策得到的宇宙红外线背景数据上的斑块。

当宇宙气体落入“超小晕”中后，“超小晕”构成的黑洞也会自然而然地捕捉一些气体。落入黑洞的物质温度升高，最终射出X射线。第一代恒星所发出的红外线和宇宙气体落入暗物质黑洞所发出的X射线一起导致了宇宙红外线背景和宇宙X射线背景斑块结构的一致性。

在偶然的情况下，一些原初黑洞会靠得太近而被引力捕获为双黑洞系统。在这些双黑洞系统里的每一对黑洞会在极长的时间里，发射出引力辐射，轨道能量减少，向内螺旋旋转，最终与并合为一个更大的黑洞，就像LIGO探测到的一样。

“未来，LIGO的观测结果会告诉我们更多有关宇宙黑洞数量的信息，我们也即将知晓我假设出的景象是否能被证实。”卡什林斯基说。

卡什林斯基带领着一个在戈达德的科学团队，他们即将参与计划在2020年发射的欧洲航天局欧几里得任务。这个叫LIBRAE的项目能够使天文台精确地探测到产生宇宙红外线背景的辐射源，并且确定其中由黑洞所产生的部分。（翻译：刘勤 校核：Yuk-Ming）