暗物質(zhì)是原初黑洞嗎？（上）

當(dāng)今物理學(xué)、天文學(xué)、宇宙學(xué)都有一個(gè)共同的謎題，這也被譽(yù)為現(xiàn)代科學(xué)中的最大謎題，它就是宇宙中的雙暗謎題。也就是暗物質(zhì)和暗能量到底是什么之謎。本期《環(huán)球科學(xué)有故事》的話題就是暗物質(zhì)到底是什么？

首先，我們要先來說明一下什么是暗物質(zhì)？如果你是第一次聽到這個(gè)話題的話，現(xiàn)在肯定有點(diǎn)暈了，我前一句話還是現(xiàn)代科學(xué)的最大謎題是：暗物質(zhì)是什么？后一句話就是來告訴你什么是暗物質(zhì)？聽上去很奇怪啊。呵呵，是有點(diǎn)繞，但不奇怪。什么是暗物質(zhì)就是告訴你暗物質(zhì)這個(gè)名稱的來歷，讓你知道科學(xué)家們正在研究的這個(gè)神秘物質(zhì)的來龍去脈。

話說 1933 年，在美國加州理工學(xué)院有一位叫做茲威基（Zwicky，1898 年 – 1974 年）的年輕天文學(xué)家，正在著迷地研究后發(fā)座星系團(tuán)。這是一個(gè)位于獅子座附近，由差不多 1000 多個(gè)大星系和幾萬個(gè)小星系組成的巨大的星系團(tuán)。茲威基試圖測算出這個(gè)星系團(tuán)中星系的平均質(zhì)量，他有兩種方法可以測算，一種稱之為“動(dòng)力學(xué)質(zhì)量”，要用到一個(gè)叫維里定理的公式。需要先測出星系團(tuán)中星系之間的相對運(yùn)動(dòng)速度，然后套幾個(gè)公式，最后就能估算出該星系團(tuán)中星系的平均質(zhì)量了。還有一種方法稱為“光度學(xué)質(zhì)量”，這個(gè)比較好理解，就是先測量星系的亮度，然后就可以估算大約需要多少物質(zhì)，才能發(fā)出這樣的亮度來。按理說，用這兩種方法測算出來的星系平均質(zhì)量應(yīng)該是差不多在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，但茲威基計(jì)算的結(jié)果是“動(dòng)力學(xué)質(zhì)量”居然比“光度學(xué)質(zhì)量”整整大了 160 多倍。雖然我們今天知道，茲威基低估了后發(fā)座星系團(tuán)離我們的距離，從而低估了星系的光度學(xué)質(zhì)量，但是即便是按照今天的數(shù)據(jù)，兩種質(zhì)量的比值依然大得離譜。

茲威基看到自己的計(jì)算結(jié)果后，那是捏呆呆地出神?。弘y道牛頓定理在后發(fā)座星系團(tuán)失效了？但他很快就想到，也許還有一個(gè)更合理的解釋：會(huì)不會(huì)是在后發(fā)座星系團(tuán)中存在著大量不發(fā)光的物質(zhì)呢？這個(gè)解釋聽上去合理多了，而且后發(fā)座星系團(tuán)距離地球足足有 3.5  億光年之遙，有一些物質(zhì)不發(fā)光，或者發(fā)光很微弱，在地球上根本觀測不到，這也是很好理解的。于是，茲威基就在論文中猜測，在后發(fā)座星系團(tuán)中包含大量暗物質(zhì)，也就是不發(fā)光或者相對很暗的物質(zhì)，而且這種物質(zhì)占到了該星系團(tuán)中物質(zhì)總量的99%。這是暗物質(zhì)這個(gè)詞第一次出現(xiàn)在學(xué)術(shù)論文中。但茲威基并沒有覺得這個(gè)猜測有多么了不起，或者根本就沒有意識(shí)到，他無意中觸碰到了一個(gè)宇宙的驚世之謎。只過了一年，茲威基的注意力就完全被宇宙中的另外一種迷人天體“超新星”吸引過去了。這一擱置，就是 50 多年沒人理會(huì)，茲威基也在 1974 年去世，他沒有等到自己提出的暗物質(zhì)驚動(dòng)全世界的那一天。

然后就是到了上世紀(jì)六十年代，美國有一位女天文學(xué)家叫魯賓（Rubin，1928 年 - ）。她在研究銀河系的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，和茲威基一樣，她產(chǎn)生了一個(gè)巨大的困惑。什么呢？銀河系外側(cè)的恒星繞銀河系中心轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，比用理論推算出的數(shù)值大了太多。這一發(fā)現(xiàn)讓魯賓大惑不解，也激發(fā)了她深入研究的興趣，這一研究就持續(xù)了十幾年。她取得了大量詳實(shí)的觀測數(shù)據(jù)，又做了仔細(xì)的計(jì)算，她發(fā)現(xiàn)，如果要維持銀河系目前的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，又不讓銀河系分崩離析，銀河系的總質(zhì)量必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前已經(jīng)觀測到的所有可見天體的質(zhì)量。打個(gè)比方來說，如果我們用沙子捏一個(gè)陀螺，把這個(gè)陀螺旋轉(zhuǎn)起來，那么轉(zhuǎn)速一快，沙陀螺肯定會(huì)被轉(zhuǎn)散架，因?yàn)樯匙优c沙子之間的結(jié)合力不足以維持向心力。要讓沙陀螺不散架，就得拿膠水和在沙子里面。如果把銀河系想象成一個(gè)沙陀螺，那么萬有引力就是膠水，這個(gè)膠水的強(qiáng)度決定了陀螺的轉(zhuǎn)速最高能到多少。現(xiàn)在，我們已經(jīng)觀測到了銀河系的轉(zhuǎn)速，那么就能反算出總的引力大小，進(jìn)而算出銀河系的總質(zhì)量。魯賓確定無疑地發(fā)現(xiàn)，銀河系的大部分質(zhì)量“丟失”了。于是，1980 年，她和同事發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)描述了他們的發(fā)現(xiàn)。這是天文學(xué)史上第一篇有關(guān)暗物質(zhì)的重量級(jí)論文，影響很大。

不過魯賓的發(fā)現(xiàn)只能算作暗物質(zhì)存在的間接證據(jù)，真正的第一份直接證據(jù)出現(xiàn)在 2006 年。那一年，以道格拉斯·克洛為首的一隊(duì)美國天文學(xué)家，利用錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡對一個(gè)編號(hào)為 1E 0657-56 的星系團(tuán)進(jìn)行觀測時(shí)，無意間觀測到星系碰撞的過程。星系團(tuán)碰撞威力之猛，使得暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開，因此發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。如果大家想看這張當(dāng)時(shí)引起全世界轟動(dòng)的照片，可以到科學(xué)有故事的微信公號(hào)中回復(fù)本期節(jié)目的代號(hào)hq01查看。

原始論文截圖

論文下載地址

http://chandra./photo/2006/1e0657/media/paper.pdf

到了這個(gè)時(shí)候，暗物質(zhì)在科學(xué)界已經(jīng)是一個(gè)非常熱門的研究課題了，起初的時(shí)候，人們還是挺樂觀的，覺得很快就能把暗物質(zhì)給搞清楚。不就是一些不發(fā)光的天體嘛，宇宙中有的是不發(fā)光的天體，比如像地球這樣的行星就是不發(fā)光的，還有褐矮星，褐色的褐；棕矮星，棕色的棕；這些都是質(zhì)量相對普通恒星較小，亮度相對很暗的恒星，因?yàn)榫嚯x遙遠(yuǎn)，我們在地球上觀測不到嘛。當(dāng)然，還有黑洞，那就更不發(fā)光了，否則就不叫黑洞了。這些不發(fā)光或者發(fā)出很暗淡光暈的天體在天文學(xué)上有一個(gè)統(tǒng)稱，就是大質(zhì)量致密暈天體，暈就是光暈的那個(gè)暈。英文縮寫是 MACHO，為了我敘述的方便，我后面把它簡稱為暗天體。在最初的幾十年，天文學(xué)家們把目標(biāo)鎖定在了這種暗天體上，要知道，根據(jù)計(jì)算，暗天體是普通天體的五倍多，也就是說我們銀河系中應(yīng)該充斥著這種暗天體。但是由于這些天體太暗，無法用光學(xué)或者射電望遠(yuǎn)鏡看到，所以，探測他們的主要方法就利用微引力透鏡效應(yīng)。因?yàn)橛匈|(zhì)量的天體產(chǎn)生的萬有引力會(huì)使得經(jīng)過的光線發(fā)生偏折，這就跟透鏡可以偏折光線一樣，所以稱為微引力透鏡效應(yīng)。這種效應(yīng)的一個(gè)直接后果就是當(dāng)暗天體在背景恒星前經(jīng)過時(shí)，會(huì)讓恒星的星光暫時(shí)增強(qiáng)，于是這顆恒星會(huì)看上去顯得更明亮一些。

于是，根據(jù)這個(gè)原理，天文學(xué)家們就開始對大小麥哲倫星云中的數(shù)百萬顆恒星進(jìn)行了長達(dá)數(shù)年的仔細(xì)觀測。為啥是大小麥哲倫星云呢？因?yàn)檫@兩片星云是離銀河系最近的兩個(gè)河外星系，也稱為銀河系的衛(wèi)星星系，用肉眼就能看到。這兩片星云確定是在銀河系之外的星系，所以，當(dāng)它們中的恒星發(fā)出的星光到達(dá)地球上，必然要差不多穿過銀河系，那么銀河系中的暗天體就會(huì)因?yàn)槲⒁ν哥R效應(yīng)使得大小麥哲倫星云中恒星的亮度產(chǎn)生可觀測的變化。但是，數(shù)年的觀測結(jié)果顯示，銀河系中根本沒有那么多的暗天體。這些觀測結(jié)果足以排除10倍太陽質(zhì)量以上的暗天體是暗物質(zhì)的主要成份的可能性。換句話說，天文學(xué)家們對暗物質(zhì)的第一次搜尋以失敗而告終。

這個(gè)問題不光是引起了天文學(xué)家的興趣，也引起了粒子物理學(xué)家們的極大興趣。他們用他們自己的職業(yè)嗅覺就提出了暗物質(zhì)的另外一種猜想，起的名字也很不明覺厲，叫做弱相互作用大質(zhì)量粒子，簡稱為 WIMP。簡而言之，他們猜想暗物質(zhì)是充滿在宇宙中的一種微觀粒子，這種粒子質(zhì)量很大，但是卻不與電磁波發(fā)生相互作用，不管是在可見光波段還是在非可見光波段，所以我們看不到。為了敘述的方便，我后面就把它們叫做暗粒子。到目前為止，盡管科學(xué)家們使用粒子加速器、地下探測器和空間望遠(yuǎn)鏡搜索了幾十年，但仍然沒有找到它們存在的證據(jù)。隨著暗粒子搜尋的零結(jié)果越來越多，粒子物理學(xué)家們也不免越來越焦慮。在這種背景下，自然又會(huì)有各種各樣的猜想冒出來。

《環(huán)球科學(xué)》 8 月號(hào)這期刊登了兩位物理學(xué)家的一篇文章，主要介紹對暗物質(zhì)的另一種猜想。我們先來認(rèn)識(shí)下本文的兩位作者。他們是一男一女，男的叫胡安·加西亞·貝利多，馬德里大學(xué)理論物理研究所教授，他還是歐空局歐幾里德計(jì)劃和 LISA 項(xiàng)目的成員。歐幾里德計(jì)劃是歐空局的一項(xiàng)暗物質(zhì)探測計(jì)劃，他們計(jì)劃在 2020 年發(fā)射一顆暗物質(zhì)探測衛(wèi)星上天，就好像我國的悟空計(jì)劃。LISA項(xiàng)目就更牛了，他是NASA和歐空局合作的一項(xiàng)空間引力波天文臺(tái)計(jì)劃，耗資巨大，目標(biāo)遠(yuǎn)大，官方公布的預(yù)計(jì)投入運(yùn)行時(shí)間是 2034 年，還早呢，而且大型天文項(xiàng)目一般都要推遲，很少有準(zhǔn)點(diǎn)的。另一位女作者叫塞巴斯蒂安·克萊斯，是比利時(shí)宇宙學(xué)家，克萊斯也是歐幾里德計(jì)劃的成員，也是 SKA 平方公里陣列合作組織的成員。這個(gè) SKA 要向各位聽眾好好宣傳一下，他是一項(xiàng)由中國、澳大利亞等國為首，20 個(gè)國家參與的大型射電望遠(yuǎn)鏡陣列項(xiàng)目，這項(xiàng)計(jì)劃雄心勃勃，計(jì)劃在澳大利亞和南非建設(shè)幾千臺(tái)串在一起的射電望遠(yuǎn)鏡，使得總接收面積達(dá)到一平方公里，靈敏度要比現(xiàn)有的最大陣列提升 50 倍，總預(yù)算已經(jīng)超過了 142 億人民幣。這個(gè)項(xiàng)目在中國的強(qiáng)力帶動(dòng)下，目前已經(jīng)開始建設(shè)了，預(yù)計(jì)2024 年建成。

雖然作者提出的猜想并非原創(chuàng)，但是本文作者的一些研究成果促成了這個(gè)猜想的形成。最早對暗物質(zhì)的猜想就是暗天體，但是后來逐漸遭到冷落，科學(xué)家們都對暗粒子情有獨(dú)鐘，但是幾十年了，無數(shù)的金錢砸下去，除了得到了越來越多的以“排除”為定語的結(jié)果，我們沒有找到暗粒子，最多只是知道了暗粒子不是這個(gè)、不是那個(gè)。在這種背景下，這兩年，一些研究者開始重新考慮暗天體假說。他們找到一個(gè)新的候選者，那就是原初黑洞，原始的原，初級(jí)的初，聽著名字大概就能猜到，這是在宇宙大爆炸時(shí)期形成的最早一批黑洞。

物理學(xué)家伯納德·卡爾（Bernard Carr）和斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在 20 世紀(jì) 70 年代提出了原初黑洞的想法，但是他們提出的原初黑洞是一種比一座山的質(zhì)量還小，尺度在微米甚至納米級(jí)別的黑洞，所以也叫微黑洞。在我們這個(gè)年齡大約為138億年的宇宙中，這些非常小的黑洞可能已經(jīng)通過霍金自己發(fā)現(xiàn)的霍金輻射蒸發(fā)殆盡了。所以卡爾和霍金的原初黑洞對宇宙當(dāng)前暗物質(zhì)的貢獻(xiàn)應(yīng)該可以忽略。但是，根據(jù)宇宙暴脹理論，應(yīng)該還有另外一種大質(zhì)量的原初黑洞。1996 年，本文作者加西亞－貝利多和斯坦福大學(xué)的安德烈·林德（Andrei Linde）以及英國普茨茅斯大學(xué)的戴維·萬茲（David Wands）發(fā)現(xiàn)，暴脹通過某種途徑，可以在早期宇宙的密度漲落譜上形成尖峰。也就是說，被暴脹極度放大的量子漲落，可以自然地產(chǎn)生特別致密的區(qū)域，這些區(qū)域可能在暴脹后不到1秒的時(shí)間內(nèi)塌縮形成一群黑洞。這些黑洞很可能就是暗物質(zhì)，主導(dǎo)現(xiàn)在宇宙的物質(zhì)成分。這個(gè)模型不是一個(gè)一個(gè)產(chǎn)生黑洞，而是一產(chǎn)生就是一群質(zhì)量相同的黑洞，質(zhì)量由塌縮區(qū)域內(nèi)包含的能量決定。

2015 年，本文的兩位作者克萊斯和加西亞·貝利多又共同提出了一種新的圖景。這個(gè)圖景與 1996 年的類似，但原初漲落的能量密度和空間尺度都會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)較寬的分布峰，導(dǎo)致原初黑洞有較寬的質(zhì)量范圍。這個(gè)圖景的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)論是，存在許多空間上非常接近的大密度坍縮區(qū)域，從而會(huì)產(chǎn)生一群聚集在一起的黑洞，這些黑洞大小不等——從 100 倍太陽質(zhì)量到 10000 倍太陽質(zhì)量。在大爆炸后 50 萬年內(nèi)，每個(gè)增長、演化的黑洞群都可能在僅僅數(shù)百光年跨度的區(qū)域內(nèi)容納數(shù)百萬個(gè)原初黑洞。