巨型黑洞和暗物质可能拥有共同的起源故事

太空中存在着神秘的巨物——黑洞，它们的体积和速度都超出了科学家的预期。最近的一项研究表明，这些庞然大物的形成可能与另一个宇宙之谜——暗物质有着共同的根源。

天体物理学家知道，恒星的剧烈死亡会形成黑洞，其质量通常可达太阳质量的数十倍。然而，纽约布鲁克海文国家实验室的理论粒子物理学家、上个月发表在《物理评论快报》上的这项研究的作者胡曼·达沃迪亚斯尔说，天文学家已经看到了质量为数十亿倍太阳质量的黑洞。更重要的是，有证据表明，这些“巨无霸”自宇宙历史的最初十亿年以来就已存在。

尽管黑洞会通过吸收恒星或相互结合而逐渐增大，但科学家们并不确定一些最大的黑洞如何能够吞噬足够多的恒星，从而如此迅速地达到其大小，大约在宇宙历史的前 10% 之内。

达沃迪亚斯尔表示，一种可能的解释是，这些黑洞是原始黑洞，也就是说，它们形成于早期宇宙，早于第一批恒星。那时，宇宙的温度要高得多，密度也大得多——大约相当于太阳核心的温度。

布鲁克海文国家实验室的物理学家兼这项研究的另一位作者朱莉娅·格尔莱因说，早期宇宙经历了快速变化，这是该团队理论的关键。

这种变化被他们称为相变，它使得早期宇宙中密度最大的区域更有可能坍缩成黑洞。这有点像我们在物质状态中看到的相变——例如，液态水变成气体，Gehrlein 说。“水在相变前后的行为不同，”她说，早期宇宙中的粒子也是如此。

达沃迪亚斯尔说，这种转变将会是一次“动荡、剧烈的事件”，可能产生引力波。

这种现象可能发生在科学家所谓的“暗区”中，即暗物质和其他我们无法直接观察到的粒子之间。盖尔莱因说，暗区指的是“我们已知的标准模型粒子”以外的任何物质，这些粒子构成了原子。

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原始黑洞是否以及如何形成，在科学家中存在一定争议。Gehrlein 说，相变将使宇宙中一些致密的空洞坍缩成原始超大质量黑洞。她说，其他研究小组也研究过这种转变的影响，但这项研究是首次以这种方式将超大质量黑洞与暗物质联系起来。

“我们可以将暗物质候选者的质量与这些黑洞的质量联系起来，因为它们都取决于发生这种转变的温度，”Gehrlein 说。与太阳核心相当的温度恰好与超轻暗物质形成理论和原始黑洞理论相吻合。

同时，相变也可能导致超轻暗物质粒子的存在——这些粒子的质量仅为已知最轻的粒子中微子的一小部分。

达沃迪亚斯尔说，围绕黑洞成长的谜团和我们为何拥有暗物质可能是“同一枚硬币的两面”。他说，如果“这一事件，即在那种温度下发生的相变，产生了这些超大质量黑洞”，那么它也将“提供恰到好处的成分”，以形成超轻暗物质粒子。

超大质量黑洞的形成和暗物质的性质“都是当代天文学和物理学中最紧迫的未解问题”，维也纳大学天文学家 Tanja Rindler-Daller 说，她没有参与这项研究。

林德勒-达勒说：“只要模型能够在现实中得到证实，那么它肯定是革命性的。”

盖尔莱因表示，研究人员可以通过两种主要方式寻找迹象来证明或反驳该理论。他们可以通过研究粒子对星系天体物理学的影响，试图弄清超轻暗物质是否存在。研究人员还可能测量早期宇宙产生的引力波。使用未来的探测器（频率不同于先进激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到的频率），研究人员可能会瞥见早期宇宙动荡时期的涟漪。