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如果大爆炸创造了微型黑洞它们在哪里？

2024-05-31 09:06阅读：

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如果大爆炸创造了微型黑洞它们在哪里？
By Robert Lea
published 2 hours ago
Black Holes
“许多研究人员觉得它们是暗物质的一个强候选，但将需要许多的暗物质来满足这一理论”。
如果大爆炸创造了微型黑洞它们在哪里？

一幅显示宇宙的缺失的原始黑洞的描画。 (Image credit: Robert Lea (created with Canva))
狩猎从大爆炸遗留下来的缺失的微小黑洞可能即将升温。
就在这种微小黑洞的踪迹似乎已经变冷时一个国际科学家团队在量子物理学中发现了可以重新打开这个案例的线索。狩猎这些所谓的原始黑洞是如此紧迫的一个原因是它们已经被提示是暗物质的可
能候选。
暗物质占宇宙中质量的85%，但不像日常物质那样与光相互作用。这是由原子组成的包括恒星、行星、卫星和我们的身体的物质。然而，暗物质确实与引力相互作用，这种影响能影响“普通物质”和光。对宇宙侦探工作完美的。
如果大爆炸诱发的黑洞真的在那里，它们将是绝对的小——有些甚至可能小的像一角硬币一样——因此拥有等于那些小行星或行星的质量。尽管如此，就像它们更大的对应物一样，恒星质量的黑洞能有可能是太阳的10到100倍的质量，而超大质量黑洞能有可能是太阳的数百万倍甚至数十亿倍的质量，来自时间黎明的微小黑洞将被一个叫“事件地平线”的光捕获表面包围。事件视界阻止黑洞发射或反射光，使微小的原始黑洞成为一个暗物质的坚实候选。它们可能小到不被注意，但足够强大可以影响空间。
来自东京大学早期宇宙研究中心（RESCEU）和卡夫利宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU，WPI）的科学家团队将经典场论、爱因斯坦的狭义相对论和量子力学相结合的理论框架应用于早期宇宙。后者解释电子和夸克一样粒子的行为并诞生所谓的量子场论（QFT）。
将量子场论应用于婴儿宇宙导致了研究小组相信在宇宙中有比许多模型目前估计的元更少的假设的原始黑洞。如果是这种情况，它可能完全排除原始黑洞作为暗物质的嫌疑。
东京大学研究生贾森（Jason Kristiano）在一份声明中说，“我们称它们为原始黑洞，许多研究人员觉得它们是暗物质的一个有力候选，但将需要许多的黑洞来满足这一理论，它们因其他原因是有趣的，因为自从最近引力波天文学创新以来，已经发现了双黑洞合并，这能被如果原始黑洞大量存在解释”。
“但尽管这些它们的预期丰度的强有力理由，我们还没有直接看到任何的，现在我们有一个可以解释为什么会这样的模型”。
回到大爆炸来狩猎原始黑洞
最受青睐的宇宙学模型提示宇宙始于大约 138 亿年前，在一个快速膨胀的初始期间：大爆炸。
在这个最初的膨胀期间宇宙中浮现了第一个粒子之后，空间最终变得足够冷来允许电子和质子结合并形成第一批原子。这就是当氢元素被诞生的时候。此外在那个冷却发生之前，光不能旅行穿过宇宙。那是因为电子无休止地散射光子，光子是光的粒子。因此，在这些字面上的黑暗时代期间，宇宙基本上是不透明的。

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我们的目前宇宙历史的理解被在上面可视化，时间从左到右运行。 (Image credit: Hubble Space Telescope Science Institute)
然而，一旦自由电子能够与质子结合并停止到处弹跳，光最后可以自由旅行了。在这个被称为“最后散射”的事件之后，在接下来的被称为“再电离时代” 期间，宇宙立即的变得对光透明。此时照耀过宇宙的第一光今天仍然能被看为是一个基本均匀的辐射场，一种被称为“宇宙微波背景”或“CMB”的宇宙的“化石”。
与此同时，被创造的氢原子继续形成第一批恒星、第一批星系和第一批星系团。而且，果不其然，一些星系出现来有超过了它们的可见成分能解释的质量，而这种过剩被归因于暗物质而非其他。

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普朗克望远镜拍摄的宇宙微波背景图像显示微小变化对宇宙学家能是揭示的。 (Image credit: ESA and the Planck Collaboration)
虽然恒星质量黑洞从大质量恒星的坍塌和死亡形成，而超大质量黑洞从较小的黑洞的连续合并形成，但原始黑洞早于恒星 - 因此，它们一定有一个独特的起源。
一些科学家认为在炽热而密集的早期宇宙中，更小的物质块可能会在它们自身引力下坍塌来诞生这些微小的黑洞——事件地平线不宽过一角硬币，甚至可能比一个质子更小，取决于它们的质量。
这项研究背后的团队之前已经观察早期宇宙中原始黑洞的模型，但这些模型未能与宇宙微波背景的观测结果保持一致。为纠正这一点，科学家们对原始黑洞形成的主要理论应用修正。被量子场论告知的更正。

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这张图显示在超大质量黑洞和假设的原始黑洞之间在尺度上的巨大差异。 (Image credit: Robert Lea (created with Canva))
东京大学早期宇宙研究中心（RESCEU）和卡夫利宇宙物理与数学研究所主任横山（Jun'ichi Yokoyama）在声明中说，“一开始，宇宙是难以置信的小，比单个原子的大小远更小。宇宙膨胀迅速扩大了这个25个数量级，当时，旅行穿过这个微小空间的波可能有过相对大的振幅但波长非常短”。
研究小组发现这些微小但强大的波能经历放大来变成天文学家在当今宇宙微波背景中看到的更大更长的波。该团队认为这种放大是早期短波之间相干的结果，这能被用量子场论解释。
横山说，“虽然单个短波相对是无能力的，但相干的群将有来重新形成远比它们资深大的波的能力，这是一个罕见的在那里在一个极端尺度上对某物的理论似乎在尺度的另一端解释了某物的例子”。

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早期宇宙中的波动产生原始黑洞。 (Image credit: ESA/Planck Collaboration, modified by Jason Kristiano)
如果该团队的理论宇宙中早期的小尺度波动能生长并影响CMB中大尺度波动是正确的，这将影响宇宙中结构如何生长。测量CMB的波动可以帮助约束早期宇宙中原始波动的大小。这反过来在依赖于更短波动的现象上放上约束，例如原始黑洞。
贾森说，“人们普遍相信早期宇宙中短而强的波长的坍塌是创造原始黑洞的。我们的研究提出如果原始黑洞真的是暗物质或引力波事件的一个有力候选原始黑洞应该比所需的远更少”。
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原始黑洞目前是坚定的假设。这是因为恒星质量黑洞的光捕获特性使甚至这些大得多的天体诡计的难看到，因此想象发现一个只有一角硬币大小事件地平线的黑洞是多么困难。
来探测原始黑洞的关键可能不在于“传统天文学”，而在于测量空时中叫引力波的微小涟漪。虽然目前的引力波探测器还不够灵敏来从碰撞的原始黑洞探测到空时涟漪，但未来的项目，如激光干涉仪空间天线（LISA）将把引力波探测带到太空。这可能帮助证实或拒绝该团队的理论，把科学家更带近确认原始黑洞是否可以解释暗物质。
该团队的研究于周三（5月29日）发表在《物理评论快报》杂志上。
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