原初黑洞理論自提出至今已有50餘(yu) 年，在很長一段時間內(nei) ，天文學界對於(yu) 原初黑洞的研究進展緩慢，直至近年來研究者開始將原初黑洞與(yu) 宇宙學中的另一大“流量擔當”——暗物質緊密聯係起來，才使得原初黑洞理論研究再一次受到重視。

　　◎實習(xi) 記者 都 芃

　　英國杜倫(lun) 大學3月29日宣布，由該校牽頭的一項研究利用引力透鏡效應發現了一個(ge) 超大黑洞，其質量約為(wei) 太陽質量的300億(yi) 倍。

　　這一研究將黑洞再一次帶到了人們(men) 麵前。在龐大的黑洞家族中，還存在一類十分特殊的黑洞，它們(men) 被認為(wei) 誕生於(yu) 宇宙的“遠古時期”，故被稱為(wei) 原初黑洞。此前，曾有研究者大膽提出，原初黑洞或許與(yu) 宇宙的另一大“未解之謎”暗物質之間有著千絲(si) 萬(wan) 縷的聯係，原初黑洞可能正是人類苦苦尋找的暗物質的主要來源。

　　那麽(me) ，事實果真如此嗎？

　　原初黑洞是黑洞中的“早產(chan) 兒(er) ”

　　一般而言，黑洞是由壽終正寢的大質量恒星坍縮而成的。恒星坍縮後形成的致密天體(ti) 具有強大的引力，甚至能夠將光束縛住，故而得名黑洞。由於(yu) 需要恒星作為(wei) “原材料”，通常認知中的黑洞隻能形成在宇宙第一批恒星死亡之後，約為(wei) 大爆炸後的一億(yi) 年。

　　但原初黑洞則不同，作為(wei) 黑洞中的“早產(chan) 兒(er) ”，它的形成不依賴恒星，它們(men) 的出生日期要比恒星更早。蘇聯理論天體(ti) 物理學家澤爾多維奇等人在上世紀60年代便提出了原初黑洞的設想。此後，霍金等人也對該設想進行了進一步發展，他們(men) 認為(wei) 在宇宙大爆炸剛發生不久時，宇宙中充斥著各種粒子，但宇宙中各區域的密度並不一致，存在一定程度的密度波動，其中密度較高的區域便可能直接坍縮形成黑洞。中國科學技術大學物理學院天文學係教授蔡一夫表示，通過這種機製產(chan) 生的黑洞質量分布範圍極廣，從(cong) 小於(yu) 1克到數百萬(wan) 倍太陽質量都有可能。

　　雖然無法直接證明原初黑洞的存在，但越來越多的觀測事實在為(wei) 原初黑洞理論添磚加瓦。目前人類已能夠在很早期的宇宙中觀測到質量在數百萬(wan) 倍甚至數億(yi) 倍太陽質量的黑洞，而現有的黑洞形成理論無法解釋這些超大質量黑洞的形成。“如果是恒星死亡產(chan) 生的黑洞，其質量範圍大約隻在3倍到數百倍太陽質量之間，即使考慮到吸積過程和並合的可能，其距離產(chan) 生超大質量黑洞也還很遙遠。”蔡一夫團隊碩士研究生馬瀟漢表示。不僅(jin) 如此，通過近年來的引力波觀測數據，研究者逐漸發現，當下已經觀測到的黑洞的質量分布與(yu) 傳(chuan) 統理論有所出入，而原初黑洞理論則可以很好地解釋相關(guan) 現象。

　　原初黑洞理論自提出至今已有50餘(yu) 年，在很長一段時間內(nei) ，天文學界對於(yu) 原初黑洞的研究進展緩慢，直至近年來研究者開始將原初黑洞與(yu) 宇宙學中的另一大“流量擔當”——暗物質緊密聯係起來，才使得原初黑洞理論研究再一次受到重視。

　　目前的觀測結果表明，宇宙當中有95%的物質我們(men) 知之甚少，我們(men) 接觸到的物質，即天文學中所說的重子物質隻占總物質的5%。在那些我們(men) 所不了解的物質中，為(wei) 星係形成提供引力幫助的暗物質就占據了整個(ge) 宇宙的約25%。因此，我們(men) 完全有理由認為(wei) 暗物質世界也是一個(ge) 十分豐(feng) 富的世界。但暗物質究竟是什麽(me) ，沒有人能給出確切答案。“我們(men) 目前隻能通過引力效應推測暗物質的存在。”蔡一夫表示。而科學家之所以將原初黑洞列為(wei) 暗物質的候選者之一，主要原因在於(yu) 原初黑洞形成於(yu) 元素合成之前，它可以被歸類為(wei) 非重子物質，並且其動力學性質與(yu) 暗物質相似。此外，如果用原初黑洞來解釋暗物質，也不需要引入超出標準模型的新粒子。

　　新研究降低原初黑洞是暗物質的可能性

　　原初黑洞構成全部的暗物質，這個(ge) 想法聽起來十分大膽，因此自提出後便有不少研究者從(cong) 各個(ge) 角度對這一問題進行深入探究。

　　此前，大量的引力波觀測數據表明，恒星級質量的原初黑洞構成暗物質的可能性微乎其微。於(yu) 是有研究者提出，恒星級質量的原初黑洞如果是以成團的方式存在，它們(men) 或許就能夠通過一些相互作用來改變它們(men) 之間的並合率，顯著增加它們(men) 構成暗物質的可能性，同時也會(hui) 使其躲過人類現有的微引力透鏡觀測。但不久前，發表於(yu) 《物理學評論快報》上的一項研究也指出帶有成團特性的恒星級質量的原初黑洞依然不可能是暗物質的全部構成。

　　馬瀟漢介紹，由於(yu) 宇宙中存在紅移效應，遙遠天體(ti) 的光線在到達地球時，其波長會(hui) 發生紅移。遙遠的星係和類星體(ti) 發出的光在穿越宇宙時，會(hui) 被不同距離的中性氫氣體(ti) 進行部分吸收，這體(ti) 現在光譜上便是密集且不規則的吸收坑，就像是密密麻麻的森林，因此這種現象被稱為(wei) 萊曼α森林。這種方法可以用來探測宇宙中氣體(ti) 的分布，而暗物質作為(wei) 宇宙中結構形成的幫手，與(yu) 氣體(ti) 的分布緊密相關(guan) ，因此萊曼α森林便可以用來幫助我們(men) 了解暗物質的分布情況。

　　據此，研究團隊設置了兩(liang) 個(ge) 約束條件，並將先前天文觀測所設定的微透鏡約束與(yu) 被稱為(wei) 萊曼α森林的數據相結合，通過對這兩(liang) 方麵數據的深入分析、對比，研究人員發現，如果恒星級質量的原初黑洞真的規避了現有的微引力透鏡觀測，那麽(me) 其應該是弱成團，而非強成團，這與(yu) 此前的觀點相互矛盾。因此，研究者認為(wei) ，恒星級質量的原初黑洞不可能通過增強成團特性來規避現有約束，使其成為(wei) 暗物質候選體(ti) 之一。

　　研究中提到的微引力透鏡是一種天文觀測手段。其基本原理是，基於(yu) 廣義(yi) 相對論，光線會(hui) 因為(wei) 大質量天體(ti) 而產(chan) 生彎曲，類似於(yu) 透鏡對於(yu) 光線的作用。而如果在我們(men) 和極其遙遠的發光天體(ti) 之間存在一些致密的引力源，它們(men) 的引力場便會(hui) 像透鏡一樣使得我們(men) 接收到的光線強度產(chan) 生相應變化。於(yu) 是微引力透鏡很自然地被用來搜尋引力巨大的黑洞，甚至是其他恒星係統的行星。

　　但蔡一夫也表示，這一論點雖然在某個(ge) 維度上降低了原初黑洞作為(wei) 暗物質構成這一理論的生存空間，但實則其也有相當多的限製條件，“換句話說，任何一個(ge) 限製條件的破壞，都可能導致這一結論的不成立。”

　　人類距離找到原初黑洞還有多遠

　　雖然最新研究對於(yu) 原初黑洞是暗物質的可能性，給出了不那麽(me) 樂(le) 觀的結論，但其並沒有完全否定恒星級質量的原初黑洞作為(wei) 暗物質候選者之一的可能性。馬瀟漢介紹，在原初黑洞的研究領域中，有這樣一張圖表，縱軸是原初黑洞可能占暗物質的比例，橫軸是原初黑洞的質量。雖然目前已經有一些質量範圍內(nei) 的原初黑洞不能構成暗物質，但仍還有一些質量範圍內(nei) 的原初黑洞有可能是構成暗物質的重要部分。

　　“一個(ge) 科學理論是不能夠被完全證實的，我們(men) 隻能夠證偽(wei) 。”蔡一夫認為(wei) ，即使我們(men) 確實找到了質量很小的黑洞，比如小於(yu) 兩(liang) 倍太陽質量的黑洞，那也隻能說明在現有的理論框架下我們(men) 發現了一個(ge) 不是由於(yu) 恒星死亡而產(chan) 生的黑洞。雖然它非常有可能就是原初黑洞，但這距離能夠完全證實原初黑洞理論還有一定的距離。

　　當然，如果未來我們(men) 擁有更強大的觀測能力，能夠在極早的宇宙中發現輻射物質直接坍縮形成黑洞的跡象，那麽(me) 或許我們(men) 便可以聲稱我們(men) 真正看到了原初黑洞的誕生。可以確定的是，未來借助激光幹涉引力波天文台(LIGO)和我國“天琴”等引力波觀測項目，以及引力透鏡、伽馬射線、X射線、紫外線、射電等觀測手段，我們(men) 有望豐(feng) 富人類對“黑洞動物園”的了解，能夠看到那些正在“進食”或是“沉睡”的黑洞，這些都將幫助我們(men) 了解黑洞的形成和演化，也將幫助我們(men) 深刻理解暗物質和黑洞之間的聯係。