一幅插圖顯示了一團微小的原始黑洞，這可能是暗物質的原因。（圖片來源：uux.cn/Robert Lea（與Canva共同創作））
（神秘的地球uux.cn）據美國太空網（Robert Lea）：當原始黑洞被懷疑為暗物質時，它們的不在場證明可能會分崩離析。在宇宙誕生幾秒鍾後產生的微小黑洞可能比預期的存活時間更長，這再次引發了人們的懷疑，即原始黑洞可能是宇宙中最神秘的物質暗物質的原因。
暗物質目前是物理學中最緊迫的問題之一。這是因為，盡管暗物質估計占宇宙物質的85%，但它實際上對我們的眼睛來說是看不見的，因為它不與光相互作用。
因為組成我們所能看到的“日常”物質的原子的粒子，如恒星、行星和我們自己的身體，顯然與光相互作用，這促使人們在粒子物理標準模型之外尋找暗物質粒子。許多科學家認為，答案仍然可能在標準模型中，然而，如果我們考慮一個我們通常認為質量巨大甚至可怕的宇宙物體的小近親：黑洞。
馬克斯·普朗克研究所科學家Valentin Thoss和裏斯本大學的Ana Fernandes Alexandre是最近參與此類研究的兩名研究人員。他們假設，138億年前大爆炸後誕生的小黑洞，不比質子大，可以聚集在一起成為暗物質的嫌疑人，而不需要新的物理學。
最近，人們對黑洞如何“蒸發”的想法發生了變化，這不僅促使人們重新評估了原始黑洞的生存能力，正如暗物質所懷疑的那樣，而且隨著對暗物質粒子的探索仍處於空白，更多的研究人員可能會開始更認真地研究原始黑洞暗物質理論。
什麽是原始黑洞？
“顧名思義，‘原始黑洞’是一種在宇宙開始時形成的黑洞，”Thoss告訴Space.com。“事實上，在宇宙的前幾分之一秒內。”
他解釋說，我們在宇宙中觀察到的所有結構，從星係的超星係團到星係本身，都是由早期宇宙中存在的空間中的輕微超密度形成的。如果早期宇宙經曆了比創造這些特征的宇宙更強的密度波動，並且這些波動在星係真正形成的更早的時間崩潰，那麽這些過於密集的斑塊可能會刺激原始黑洞。
Thoss補充道，根據這次坍塌可能發生的時間以及坍塌的規模，這些原始黑洞的質量會非常不同。Thoss和Fernandes Alexandre認為可能的暗物質候選者的原始黑洞的質量範圍在幾噸到一千噸之間，具體來說，這小於行星的質量，更屬於小小行星的質量。
顯示宇宙膨脹曆史的圖表。在第一顆恒星出現之前，原始黑洞就已經從密度波動中出現了。（圖片來源：uux.cn/NASA/WMAP科學團隊/Dana Berry的藝術作品）
考慮到科學家迄今為止發現的最小黑洞，即恒星質量黑洞，其質量相當於太陽的3到50倍——太陽本身是27（22後麵跟著26個零）噸的2.2倍10的冪——這些原始黑洞非常小。
費爾南德斯-亞曆山大表示，與大質量恒星坍塌或相對較小的黑洞合並形成的較大黑洞一樣，原始黑洞也會有一個被稱為視界的光捕獲外部邊界。這個視界的直徑由黑洞的質量決定，這意味著在這種情況下，視界會非常小。費爾南德斯-亞曆山大說：“比質子的半徑還小。”。
黑洞的解剖結構。無論大小，所有黑洞都有視界。（圖片來源：uux.cn/ESO）
小的原始黑洞以前被排除為暗物質候選者，因為所有黑洞都被認為“泄漏”了一種熱輻射，這種熱輻射最早由斯蒂芬·霍金於1974年提出理論，後來被命名為“霍金輻射”
黑洞越小，泄漏霍金輻射的速度就越快，因此蒸發的速度也就越快。這意味著，如果原始黑洞曾經存在，那麽最小的例子就不應該出現在今天——然而，暗物質顯然存在。
Thoss說：“Ana和我現在認為質量的原始黑洞以前基本上被排除在外，因為人們認為它們在宇宙中已經完全蒸發了。”。
慕尼黑大學的理論物理學家Giorgi Dvali與Thoss和Fernandes Alexandre合作，最近的研究表明，蒸發過程在某個時刻會分解。這意味著科學家們認為質量的原始黑洞可以達到半穩定狀態。
費爾南德斯-亞曆山大解釋道：“為了通過發射霍金輻射來降低質量，黑洞必須‘重寫’其信息或其他東西。這個重寫過程需要時間。”。“它被稱為‘記憶負擔’，因為這種記憶現在必須傳遞給其他東西，這隻是在某種程度上減緩了整個蒸發過程。所以這是一種穩定。”
這種“拯救機製”意味著原始黑洞重新成為潛在的暗物質候選者！
與暗物質完全相似？
然而，今天宇宙中可能存在原始黑洞這一事實並不意味著它們應該被視為暗物質嫌疑人。碰巧的是，還有其他原因將這些微小的假設黑洞與宇宙中神秘物質的含量聯係起來。
也許最明顯的聯係是暗物質缺乏與光的相互作用。暗物質不發光或反射光，而包圍所有黑洞的視界代表了穿過黑洞所需的逃逸速度超過光速的點。這意味著原始黑洞會“捕獲”所有入射光，導致明顯缺乏相互作用。
Thoss說：“如果它們足夠輕，在行星質量周圍的某個地方，原始黑洞在我們感興趣的所有目的上都表現得像暗物質粒子。”。“在標準模型中，暗物質是‘無碰撞’的，因此暗物質粒子之間的相互作用不會影響宇宙。”
他補充說，如果原始黑洞的質量比行星質量輕，那麽，即使在宇宙時間尺度上，它們也會很小，很少碰撞。這些原始黑洞可能會聚集在一起，產生我們目前認為屬於暗物質的引力效應，例如提供引力影響，防止快速旋轉的星係分飛。
一個暗物質雲的例子，這可能真的是一團黑洞嗎？（圖片來源：uux.cn/X射線：NASA/CXC/CfA/M.Markevitch等人；光學：NASA/STScI；麥哲倫/U.Arizona/D.Clowe等人；Lensing Map:NASA/STScI；ESO WFI；麥哲倫/U.Aryzona/D.Clowe等人）
然而，如果原始黑洞必須聚集在一起以解釋暗物質的影響，那麽什麽會阻止這些黑洞聚集在一起並合並形成更大的黑洞呢？一簇微小的黑洞最終不會變成一個巨大的黑洞嗎？Thoss說已經對此進行了調查，答案很簡單：“沒有。”
他繼續說道：“即使考慮到聚集，合並的時間尺度也很長，它們隻會在整個宇宙年齡合並成真正大質量的黑洞。”。
Thoss補充道，使用原始黑洞作為暗物質解釋的美妙之處在於，與使用軸子等假設粒子來解釋奧秘不同，原始黑洞不需要擴展到粒子物理的標準模型，這是我們在亞原子尺度上對宇宙的最佳解釋。
盡管如此，如果原始黑洞真的能解釋這種現象，那麽它們將很難被確認為暗物質。同樣，它們的光捕獲特性意味著它們實際上是不可見的。此外，在如此小的尺寸下，它們不像它們的恒星和超大質量兄弟那樣具有巨大的引力效應。
即便如此，如果探測到一簇原始黑洞，也沒有真正的方法來區分許多小黑洞和一個大黑洞。
盡管困難重重，但Thoss和Fernandes Alexandre打算至少在理論上保持對原始黑洞尾部的關注。如果暗物質的候選粒子繼續無法顯現，也許答案是讓更多的物理學家開始審視粒子物理學和宇宙學之間的隱喻性圍欄。
費爾南德斯·亞曆山大說：“我不會說原始黑洞曾被視為暗物質候選者而被忽視；盡管它們被忽視了一段時間。”。“現在，鑒於我們並沒有真正檢測到粒子暗物質，我認為考慮這個選項變得越來越重要。”
