于 41 年前發(fā)射的 NASA 旅行者 1 號(hào)探測(cè)器已飛離太陽(yáng)系 6 年，但天文學(xué)家們?cè)谒鶄骰氐臄?shù)據(jù)中找不到那些能解釋暗物質(zhì)的遠(yuǎn)古黑洞。

遠(yuǎn)古黑洞站長(zhǎng)精靈

當(dāng)代天文學(xué)認(rèn)為，我們所觀測(cè)到的所有物質(zhì)加起來(lái)只占全宇宙質(zhì)能（質(zhì)量和能量）總量的約 5%，在剩余的 95% 中，暗物質(zhì)占大概 27%，暗能量占大概 68%。雖然暗物質(zhì)和暗能量?jī)蓚€(gè)詞聽(tīng)上去很神秘，但其實(shí)就是科學(xué)家們根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)按現(xiàn)有理論進(jìn)行演算后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有宇宙中如果沒(méi)有這些還未被觀測(cè)到的的質(zhì)量和能量就會(huì)崩壞，比如整個(gè)星系會(huì)被拆散然后從現(xiàn)有位置被飛速拋出和宇宙停止膨脹等等。

而在眾多試圖解釋暗物質(zhì)和暗能量概念的當(dāng)代宇宙學(xué)假說(shuō)中，大多都有將可能的一些間接觀測(cè)證據(jù)囊括在內(nèi)，而其中一個(gè)假設(shè)就借引力透鏡將暗物質(zhì)解釋為了一種宇宙大爆炸后不久就誕生了的“遠(yuǎn)古”黑洞。

由于宇宙中的暗物質(zhì)與普通物質(zhì)在總量上比例懸殊，由恒星坍縮而成的黑洞并不能產(chǎn)生這種量比，假說(shuō)要求構(gòu)成暗物質(zhì)的黑洞由宇宙大爆炸后原始粒子湯中坍縮的波動(dòng)形成，并認(rèn)為這種原始黑洞可以具有任何質(zhì)量。

雖然此前現(xiàn)有的觀測(cè)表明質(zhì)量大的夸張的原始黑洞實(shí)際存在的可能性很低（不然能瞬間撕碎一整個(gè)星系），但理論上質(zhì)量稍小一點(diǎn)的遠(yuǎn)古黑洞會(huì)造成能被觀測(cè)到的引力透鏡，也就是宇宙中的部分空間因被引力扭曲而形成天然望遠(yuǎn)鏡的現(xiàn)象。

目前，天文學(xué)家通過(guò)以可觀測(cè)的引力效應(yīng)為基礎(chǔ)進(jìn)行逆推，算出能被探測(cè)到的這種原始黑洞應(yīng)具有三個(gè)質(zhì)量分級(jí)，分別是太陽(yáng)質(zhì)量的一至十倍，太陽(yáng)質(zhì)量的十億分之一和低于太陽(yáng)質(zhì)量的千萬(wàn)億分之一。

探索之旅

根據(jù)量子理論，宇宙空間中存在著正反粒子的相互泯滅，霍金曾以此提出了黑洞的輻射理論，也就是對(duì)于黑洞附近的一對(duì)正反粒子來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)粒子落入黑洞，其反粒子便會(huì)以輻射的形式從黑洞中飛出，且黑洞越小輻射越大，使實(shí)際探測(cè)成為了可能。

圖 | 黑洞輻射想象圖（來(lái)源：NASA’s Goddard Space Flight Center）

理論上，之前提到過(guò)的三個(gè)質(zhì)量分級(jí)中的最后一種（低于太陽(yáng)質(zhì)量的千萬(wàn)億分之一，約 100 億噸）應(yīng)該能輻射出足量的電子和正電子以供探測(cè)。雖然地球上的設(shè)備會(huì)因受太陽(yáng)的磁場(chǎng)影響而無(wú)法被用于探測(cè)這些電子和正電子，但已經(jīng)飛離太陽(yáng)系的旅行者一號(hào)應(yīng)該能做到這一點(diǎn)。

然而，自旅行者 1 號(hào)于 2012 年正式飛離太陽(yáng)系以來(lái)，天文學(xué)家們至今沒(méi)能從它所傳回的數(shù)據(jù)中找到符合條件的正反粒子信號(hào)。同時(shí)，一篇于去年 10 月發(fā)表的論文指出，由于人們尚未觀測(cè)到可能由暗物質(zhì)遠(yuǎn)古黑洞造成的引力透鏡現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明宇宙中的大部分暗物質(zhì)（60% 以上）應(yīng)該都不是黑洞。

圖 | 旅行者 1 號(hào)（來(lái)源：NASA）

雖然這并不能完全排除暗物質(zhì)由黑洞構(gòu)成的可能性，但至少目前看來(lái)，暗物質(zhì)的黑洞假說(shuō)對(duì)天文學(xué)家們來(lái)說(shuō)已經(jīng)不是那么有吸引力了。

結(jié)語(yǔ)

相比之下，其他幾個(gè)比較主流的解釋暗物質(zhì)的假說(shuō)也都各有各的問(wèn)題。

MACHOs（Massive Compact Halo Objects，暈族大質(zhì)量致密天體）認(rèn)為暗物質(zhì)由一種體積極小的大質(zhì)量不發(fā)光物質(zhì)構(gòu)成，雖然理論上可以通過(guò)引力透鏡進(jìn)行觀測(cè)，但目前天文學(xué)家們對(duì)于“如何判斷觀測(cè)到的引力透鏡符合要求”還未能達(dá)成一致。WIMP（Weakly Interacting Massive Particles，大質(zhì)量弱相互作用粒子）提出暗物質(zhì)由一種假想粒子構(gòu)成，只通過(guò)弱核力和引力與外界相互作用，而盡管天文學(xué)家們?yōu)樘綔y(cè)它們建造了很多昂貴的設(shè)備，目前人們還尚未發(fā)現(xiàn)與該粒子實(shí)際存在的證據(jù)。還有一種比較特立獨(dú)行的，名為“牛頓力學(xué)改良版”的假說(shuō)，認(rèn)為暗物質(zhì)的存在是由現(xiàn)有理論的錯(cuò)誤導(dǎo)致，并試圖提出一種改良版的力學(xué)理論系統(tǒng)來(lái)解釋暗物質(zhì)的存在，但目前還未有人提出一個(gè)這種能解釋暗物質(zhì)問(wèn)題同時(shí)又能顧及宇宙演化過(guò)程的改良理論。

雖然暗物質(zhì)當(dāng)下的確算得上是一個(gè)未解之謎，但無(wú)論它是否真的存在或許并不重要。筆者曾有幸在幾年前參加過(guò)一次中國(guó)暗物質(zhì)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師和國(guó)內(nèi)暗物質(zhì)探測(cè)團(tuán)隊(duì)的宣講會(huì)，當(dāng)時(shí)有聽(tīng)眾問(wèn)臺(tái)上的科學(xué)家是否相信暗物質(zhì)的存在，那位科學(xué)家給出答案是“不”，并表示他認(rèn)為人們可能會(huì)在追尋暗物質(zhì)的路上發(fā)現(xiàn)別的什么東西，科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往可能是“讓人意想不到的”。

或許，事實(shí)可能也會(huì)真的如此，暗物質(zhì)存在與否的問(wèn)題可能會(huì)像 19 世紀(jì)的“以太”讓我們意識(shí)到了光是一種電磁波一樣，為我們帶來(lái)一些意想不到的結(jié)論。用天文學(xué)家的話來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)可能還僅是真正問(wèn)題的冰山一角，或許，當(dāng)未來(lái)的物理學(xué)回顧我們這段歷史時(shí)，會(huì)覺(jué)得“這是一個(gè)開(kāi)啟了新紀(jì)元，人們嘗試重新理解宇宙的新時(shí)代”。

-End-

編輯：Peter，責(zé)編：Braden

參考：http:///news/2018/10/can-black-holes-explain-dark-matter