黑洞和暗物质是一样的吗？天体物理学家颠覆了教科书上的解释

该研究表明，黑洞自宇宙诞生之初就已经存在，这些原生黑洞可能是尚未解释的暗物质的来源。如果通过本月发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜收集的数据证明是真的，这一发现可能会改变对两个宇宙之谜的起源和性质的科学理解：暗物质和黑洞。

迈阿密大学物理学副教授、该研究的第一作者Nico Cappelluti说：“我们的研究预测，如果暗物质不是由未知粒子构成，而是由大爆炸期间形成的黑洞构成--那么早期宇宙会是什么样子，正如斯蒂芬·霍金在20世纪70年代所建议的那样。”

“这将有几个重要的影响，”Cappelluti继续说，他今年作为耶鲁大学天文学和天体物理学中心奖的博士后研究员扩大了他在耶鲁大学开始的研究。“首先，我们将不需要‘新物理学’来解释暗物质。此外，这将有助于我们回答现代天体物理学中最引人注目的问题之一：早期宇宙中的超大质量黑洞怎么会长得这么大，这么快？鉴于我们今天在现代宇宙中观察到的机制，它们不会有足够的时间来形成。这也将解决长期以来的一个谜团，即为什么一个星系的质量总是与它中心的超大质量黑洞的质量成正比。”

从未被直接观察到的暗物质被认为是宇宙中的大部分物质，并作为星系形成和发展的支架。另一方面，在大多数星系的中心可以找到的黑洞，已经被观察到。在空间中的一个点，物质被紧紧地压缩在一起，它们产生了强烈的引力。

由耶鲁大学天文学和物理学教授Priyamvada Natarajan和欧空局（ESA）科学主任 Günther Hasinger共同撰写的这项新研究表明，各种大小的所谓原生黑洞构成了宇宙中所有的暗物质。

“不同大小的黑洞仍然是一个谜，”Hasinger解释说。“我们不明白超大质量黑洞如何能在宇宙存在以来的相对较短的时间内成长得如此巨大。”

他们的模型调整了霍金和物理学家的Bernard Carr首次提出的理论，他们认为在大爆炸后的最初几分之一秒，宇宙密度的微小波动可能已经创造了一个具有额外质量的“块状”区域的起伏景观。这些凹凸不平的区域会坍塌成黑洞。

这一理论没有获得科学上的支持，但是Cappelluti、Natarajan和Hasinger 认为，在稍作修改后，这一理论可能是有效的。他们的模型显示，第一批恒星和星系将在早期宇宙中围绕黑洞形成。他们还提出，原生黑洞将有能力通过吞噬其附近的气体和恒星，或通过与其他黑洞合并而成长为超大质量黑洞。

Natarajan说：“如果原生黑洞确实存在，很可能是所有超大质量黑洞形成的‘种子’，包括银河系中心的那个。我个人认为这个想法超级令人兴奋的是，它如何优雅地统一了我工作的两个真正具有挑战性的问题--即探测暗物质的性质和黑洞的形成和增长--并一举解决了它们。”

原生黑洞也可能解决另一个宇宙学难题：与X射线辐射同步的过量红外辐射，这些辐射已从散布在宇宙中的遥远、暗淡的源头检测到。研究作者说，成长中的原始黑洞将呈现“完全”相同的辐射特征。

而且，最重要的是，原生黑洞的存在可能会在不久的将来得到证明或反驳，因为韦伯望远镜已经发射升空，欧空局领导的激光干涉空间天线（LISA）任务计划在2030年代进行。

韦伯望远镜由美国宇航局、欧空局和加拿大航天局开发，以接替哈勃太空望远镜，它有望观测到135亿年前宇宙的“模样”。如果暗物质是由原生黑洞组成的，那么在早期宇宙中就会有更多的恒星和星系在它们周围形成，这正是宇宙“时间机器”将能够看到的情况。

Hasinger说：“如果第一批恒星和星系已经在所谓的‘黑暗时代’形成，韦伯应该能够看到它们的证据。”

与此同时，LISA将能够从原生黑洞的早期合并中获取引力波信号。