上期我們說到克萊斯和加西亞·貝利多提出了一個(gè)猜想，那就是在大爆炸后 50 萬年內(nèi)，宇宙中會(huì)產(chǎn)生一群一群的大質(zhì)量黑洞。并且這個(gè)理論預(yù)言：我們可以利用極為靈敏的引力波探測(cè)器，例如美國(guó)的 LIGO引力波探測(cè)器，探測(cè)到兩個(gè)黑洞合并而產(chǎn)生的引力波。
他們是 2015 年 1 月份預(yù)言了 LIGO 可能探測(cè)到這種大質(zhì)量黑洞并合發(fā)出的引力波，結(jié)果到了 2015 年的 9 月 14 日,LIGO 果然探測(cè)到了兩個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量 30 倍左右的黑洞合并而發(fā)出的引力波，經(jīng)過非常慎重仔細(xì)的反復(fù)確認(rèn)，LIGO 和 VIRGO 團(tuán)隊(duì)共同宣布，人類首次探測(cè)到了來自宇宙中的真實(shí)引力波，并且與廣義相對(duì)論的計(jì)算值吻合的非常完美。倆位作者對(duì)原初黑洞群內(nèi)合并率的估計(jì)也與 LIGO 定出的極限完美符合。
他們的這種假想有一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，就是能夠解釋之前微引力透鏡巡天觀測(cè)的一個(gè)結(jié)果，也就是質(zhì)量大約為 10 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞不可能是暗物質(zhì)的主要成分。如果原初黑洞存在，并且質(zhì)量范圍較寬的話，那么可能只有一小部分黑洞對(duì)微引力透鏡實(shí)驗(yàn)是可見的，大多數(shù)是沒辦法用這種手段探測(cè)到的。更重要的是，按照他們的猜想，原初黑洞是聚集成群的，那么微引力透鏡巡天監(jiān)測(cè)的那些近鄰衛(wèi)星星系中，正好在恒星視線方向上遇到一個(gè)黑洞的概率要小于千分之一。
所以，研究者可以在天空中的其他位置搜尋微引力透鏡事件，尋找其他天體亮度升高的現(xiàn)象，例如銀河系鄰居仙女星系中的恒星，甚至更遙遠(yuǎn)星系中的類星體。通過這種方法，可以在銀暈中更大的范圍內(nèi)探測(cè)暗天體，也就是原初黑洞的信號(hào)。
總之，我們目前的所有觀測(cè)結(jié)果，都還不能排除暗物質(zhì)大部分由原初黑洞組成的可能性。事實(shí)上，他們提出的這個(gè)圖景還可以解釋其他一些與暗物質(zhì)及星系形成相關(guān)聯(lián)的宇宙之謎。
這類“矮”衛(wèi)星星系應(yīng)該在我們銀河系這樣的大質(zhì)量星系周圍形成，但看起來卻意外地少。我們現(xiàn)在對(duì)宇宙暗物質(zhì)分布的模擬，與我們當(dāng)前觀測(cè)到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)符合的非常好，這種大尺度結(jié)構(gòu)是什么樣子的呢，你們會(huì)看到我們的宇宙在大尺度下面，就好像一張漁網(wǎng)一樣，是由巨型絲狀結(jié)構(gòu)和片狀結(jié)構(gòu)交織起來的一張網(wǎng)。
然而，在較小尺度上，這些模擬預(yù)言大質(zhì)量星系周圍有大量的暗物質(zhì)子暈。每一個(gè)這種暗物質(zhì)子暈都應(yīng)該含有一個(gè)矮星系，所以，我們的銀河系周圍應(yīng)該會(huì)有數(shù)百個(gè)矮星系。然而天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的矮星系卻遠(yuǎn)少于模擬的結(jié)果。
衛(wèi)星星系缺失問題有很多種可能的解釋，主要的思路是，模擬不能完全體現(xiàn)普通物質(zhì)（恒星中的氫和氦）對(duì)矮星系的形成和行為的影響。克萊斯和貝利多的圖景提出，如果聚集成團(tuán)的原初黑洞構(gòu)成了大部分暗物質(zhì)，那么它們也是銀河系周圍的暗物質(zhì)子暈的主要成分。黑洞會(huì)吸收一部分普通物質(zhì)，降低了子暈中的恒星形成率。
此外，即使這些暗物質(zhì)子暈中能形成大量恒星，這些恒星也很容易因?yàn)榕c大質(zhì)量原初黑洞靠的太近而被彈出去。兩個(gè)效應(yīng)可以極大地降低衛(wèi)星星系的亮度，如果不使用高靈敏的寬視場(chǎng)相機(jī)是難以探測(cè)到它們的。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)有這種相機(jī)了，天文學(xué)家已經(jīng)用它們?cè)阢y河系周圍發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)極暗的矮星系。這些天體中含有的暗物質(zhì)是發(fā)光恒星質(zhì)量的數(shù)百倍，而他們的模型則預(yù)言，銀河系周圍應(yīng)該還有數(shù)千個(gè)這樣的矮星系。
對(duì)暗物質(zhì)的模擬還顯示出，在銀河系附近還應(yīng)該有一類介于矮星系和大質(zhì)量星系之間的星系。這些星系按理說應(yīng)當(dāng)能穩(wěn)定地形成恒星并且容易被觀測(cè)到。不過，天文學(xué)家搜索銀河系附近時(shí)，并沒有發(fā)現(xiàn)這類星系。這個(gè)矛盾被形象地稱為“too big to fail”也就是“大到不能忽視”的意思，在作者看來，這個(gè)問題有一個(gè)和衛(wèi)星星系缺失問題差不多的答案：對(duì)于中等大小的星系，其星系核中的大質(zhì)量原初黑洞可以將恒星和形成恒星的氣體從星系中彈出，導(dǎo)致大部分巡天都觀測(cè)不到它們。
這些怪獸的質(zhì)量相當(dāng)于數(shù)百萬到數(shù)十億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，天文學(xué)家在宇宙早期的類星體和大質(zhì)量星系的中心觀測(cè)到了它們。并且，現(xiàn)在的觀測(cè)表明，幾乎每一個(gè)大的漩渦星系和棒旋星系的中心都有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。然而，如果這些超大質(zhì)量黑洞是由宇宙第一代恒星塌縮而形成和長(zhǎng)大的，那么它們應(yīng)該不會(huì)在這樣一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間——大爆炸后不到 10 億年內(nèi)獲得如此龐大的質(zhì)量。
在作者提出的圖景中，盡管大部分原初黑洞只有數(shù)十倍太陽(yáng)質(zhì)量，但也有非常少的一些會(huì)重得多，達(dá)到數(shù)百太陽(yáng)質(zhì)量到數(shù)萬太陽(yáng)質(zhì)量。這些誕生于大爆炸后不到 1 秒的巨型天體可能就是形成第一代星系和類星體的巨型種子，這樣的話，星系和類星體的中心就可以快速形成超大質(zhì)量黑洞。這些種子也可以解釋我們?cè)诔筚|(zhì)量黑洞周圍以及球狀星團(tuán)中心觀測(cè)到的那些 1000 倍太陽(yáng)質(zhì)量到百萬倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞。
換句話說，原初黑洞可能是傳統(tǒng)恒星質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間缺失的一環(huán)。支持這個(gè)圖景的觀測(cè)證據(jù)正在快速增加，最近，有研究者在早期宇宙中探測(cè)到了異常豐富的 X 射線源。對(duì)這個(gè)觀測(cè)結(jié)果，最簡(jiǎn)單的解釋就是，大爆炸后不到十億年時(shí)，數(shù)量眾多的原初黑洞在大量吞噬氣體時(shí)發(fā)出了 X 射線。
盡管大質(zhì)量原初黑洞聽上去可以解決暗物質(zhì)之謎和許多其他由來已久的宇宙學(xué)問題，但目前這依然只是一個(gè)猜想。其他模型和解釋仍然有可能是正確的，未來的觀測(cè)結(jié)果決定了這些不同模型哪些可以留下來。實(shí)際上，在未來幾年，一些觀測(cè)可以幫助我們檢驗(yàn)原初黑洞圖景。例如，
探測(cè)極暗矮星系
探測(cè)大質(zhì)量原初黑洞對(duì)銀河系中恒星位置的影響
繪制第一代恒星形成時(shí)期中性氫的分布圖，以及研究宇宙微波背景輻射中的扭曲。
除了這些實(shí)驗(yàn)，我們現(xiàn)在還有一個(gè)全新的工具可用來揭開宇宙之謎，即升級(jí)后的 LIGO 和其他引力波探測(cè)器。如果 LIGO 探測(cè)到的真是大質(zhì)量原初黑洞的合并，那么我們有理由認(rèn)為，未來幾年它還能探測(cè)到更多此類事件。2016 年 6 月，升級(jí)版 LIGO 宣布第二次探測(cè)到兩個(gè)黑洞合并發(fā)出的引力波，兩個(gè)黑洞分別是 14 倍和 8 倍太陽(yáng)質(zhì)量，同時(shí)他們還報(bào)告發(fā)現(xiàn)了另一次 23 倍太陽(yáng)質(zhì)量和 13 倍太陽(yáng)質(zhì)量黑洞合并事件的可能線索。截止到目前，LIGO團(tuán)隊(duì)宣稱又探測(cè)到了另外 6 個(gè)可能的合并事件，正在進(jìn)一步的確認(rèn)中。這些探測(cè)結(jié)果都表明，雙黑洞比預(yù)期的更多，它們的質(zhì)量分布也很寬，與作者提出的大質(zhì)量原初黑洞的圖景相符。
對(duì)科學(xué)研究來說，尤其是對(duì)天文學(xué)和宇宙學(xué)來說，最重要的還是觀測(cè)證據(jù)，理論再完美，沒有觀測(cè)證據(jù)的支撐，那也都是 NOTHING，看上去作者提出的暗物質(zhì)是原初黑洞的理論已經(jīng)得到了不少證據(jù)的支持，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。還需要更多的觀測(cè)證據(jù)。作者在文末又提出了以下一些觀測(cè)能夠檢驗(yàn)他們的理論。我們一個(gè)一個(gè)來看一下。
第一，更多的引力波探測(cè)。升級(jí)版 LIGO（美國(guó)）和升級(jí)版 Virgo，這個(gè)引力波探測(cè)器是在意大利，以及其他正在建設(shè)中的更多引力波探測(cè)器，應(yīng)該會(huì)探測(cè)到更多黑洞并合。如果探測(cè)到的大質(zhì)量黑洞并合事件多得超出預(yù)期，那就表明這類黑洞從起源上看可能是原初黑洞，但單憑這樣的觀測(cè)還不能證明原初黑洞構(gòu)成了暗物質(zhì)。要證明后者，還必須把其他觀測(cè)結(jié)合起來。若能探測(cè)到質(zhì)量低于錢德拉塞卡極限，也就是 1.45 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，就能無可置疑地證實(shí)黑洞的原初起源。因?yàn)楦鶕?jù)廣義相對(duì)論，質(zhì)量比這更小的恒星是不能自發(fā)塌縮形成黑洞的。幸運(yùn)的是，LIGO 可能很快會(huì)達(dá)到探測(cè)這類黑洞的靈敏度。最終，在宇宙學(xué)尺度上，豐富的雙黑洞應(yīng)該能產(chǎn)生一個(gè)彌散的引力波背景，等未來我們擁有了太空中的引力波天文臺(tái)，也就是 LISA，以及地面上的脈沖星計(jì)時(shí)陣，就能探測(cè)到如同宇宙微波背景輻射一樣的宇宙引力波背景。
第二，2015 年，天文學(xué)家使用來自暗能量巡天項(xiàng)目的數(shù)據(jù)在銀暈中發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)極暗矮星系，這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明，銀河系周圍可能有數(shù)百個(gè)這樣的暗物質(zhì)主導(dǎo)的矮星系。如果暗物質(zhì)由原初黑洞組成，那么它們中的大部分應(yīng)該處于這些矮星系中，大量原初黑洞可以用未來的太空天文臺(tái)設(shè)備探測(cè)到，例如歐洲空間局的歐幾里得計(jì)劃和美國(guó)航空航天局的寬視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡。
第三，歐洲空間局正在進(jìn)行的蓋亞（Gaia）項(xiàng)目正在以前所未有的精度測(cè)量銀河系中大約十億顆恒星的位置和速度。大質(zhì)量黑洞會(huì)導(dǎo)致附近恒星的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)微小變化，因此蓋亞的觀測(cè)可能揭示出大量孤立大質(zhì)量黑洞的存在。
第四，在第一代恒星形成之前和形成過程中，宇宙大部分由不帶電的中性氫組成，它們會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)為 21 厘米的特征性射電輻射。最早到 2020 年，將成為有史以來最大的射電望遠(yuǎn)鏡的平方公里陣（SKA）將開始對(duì)這個(gè) 21 厘米波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行全天成圖觀測(cè)。在原初黑洞吸引下，物質(zhì)加速下落，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的 X 射線輻射，讓周圍的中性氫電離，在全天 21 厘米輻射圖中留下印記。故而 SKA 應(yīng)該能探測(cè)到大質(zhì)量原初黑洞的存在，如果它們真的構(gòu)成了暗物質(zhì)的話。
第五，在宇宙早期，原初黑洞吞噬氣體和塵埃發(fā)出的 X 射線應(yīng)該也會(huì)導(dǎo)致宇宙微波背景輻射譜的扭曲。不過，這個(gè)效應(yīng)的重要性還有些爭(zhēng)議，特別是對(duì)于原初黑洞緊密成團(tuán)的模型。然而，美國(guó)航空航天局已經(jīng)提出了原初暴脹探測(cè)器（PIXIE）計(jì)劃，目的是為了準(zhǔn)確測(cè)量這種扭曲。這樣的觀測(cè)有望對(duì)原初黑洞暗物質(zhì)模型給出嚴(yán)格的邊界條件。
以上這五點(diǎn)就是文章作者提出驗(yàn)證方式，判斷一個(gè)理論是科學(xué)還是偽科學(xué)，有一個(gè)重要的特征就是看這個(gè)理論是否能夠提出可供檢驗(yàn)的預(yù)言，這也被稱為可證偽性，可證偽性就是可檢驗(yàn)性。關(guān)于暗物質(zhì)，有些人認(rèn)為暗物質(zhì)可能跟當(dāng)年的以太一樣，科學(xué)家們?cè)径紙?jiān)信以太的存在，可后來發(fā)現(xiàn)以太是不存在的。
首先，當(dāng)年的以太只存在于科學(xué)家們的理論當(dāng)中，并沒有任何實(shí)驗(yàn)可以證明以太的存在。而暗物質(zhì)則不同，我們的天文學(xué)觀測(cè)證據(jù)明確觀測(cè)到了暗物質(zhì)產(chǎn)生的引力效應(yīng)，這是實(shí)實(shí)在在的證據(jù)，并不是純理論的假想。
關(guān)于暗物質(zhì)，最嚴(yán)重的誤導(dǎo)就是百度百科上的詞條。在百度百科上，把暗物質(zhì)定義為：一種因存在現(xiàn)有理論無法解釋的現(xiàn)象而假想出來的物質(zhì)。這個(gè)定義是非常嚴(yán)重的誤導(dǎo)。如果放到二十年前，這樣的定義還說的過去?？墒欠诺浇裉?，已經(jīng)嚴(yán)重過時(shí)了。
關(guān)于暗物質(zhì)的定義，目前主流科學(xué)界比較認(rèn)可的定義是：有質(zhì)量，但不與電磁波發(fā)生相互作用的物質(zhì)。維基百科和歐洲核子中心（CERN）的官網(wǎng)上關(guān)于暗物質(zhì)的詞條都是這樣的定義。這才是比較準(zhǔn)確的定義。
對(duì)于暗物質(zhì)是否存在，這在當(dāng)今的主流科學(xué)界是沒有爭(zhēng)議的。當(dāng)然，任何前沿的科學(xué)領(lǐng)域都不可能是完全一致的聲音，總有一些代表少數(shù)派的科學(xué)家提出一些不同的觀點(diǎn)，這都很正常。但作為科普來說，首要傳播的不是非主流的觀點(diǎn)，而是傳播主流觀點(diǎn)。
還有一點(diǎn)請(qǐng)大家注意，像我這樣的科普作家并不是科學(xué)家，我并沒有能力做科學(xué)結(jié)論的是非判斷，我只是幫大家從浩瀚的科學(xué)海洋中甄別出哪些是主流，哪些是支流，并且如實(shí)客觀地告訴大家，這就是我認(rèn)為一個(gè)職業(yè)科普人的操守，也是我對(duì)各位的價(jià)值所在。
全文完
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