我們宇宙的80%質(zhì)量對(duì)我們來說是完全不可見的，它的存在只能通過其巨大的引力影響來揭示。這就是暗物質(zhì)，它是宇宙中最令人困惑的謎團(tuán)之一。這些年來，大多數(shù)物理學(xué)家都在嘗試假設(shè)或檢測奇異的新粒子來解釋這些東西。而另一些人正試圖在愛因斯坦的引力理論中找漏洞，這可能無需實(shí)際物質(zhì)就可以解釋暗物質(zhì)的影響。

但是有一種解釋可能不需要任何新的物理學(xué)，如果暗物質(zhì)只是黑洞呢？時(shí)空結(jié)構(gòu)中的這些高密度洞似乎是暗物質(zhì)候選者。正如我們之前多次討論過的，黑洞是引力場非常強(qiáng)的區(qū)域，甚至連光都無法逃脫。黑洞真實(shí)存在的證據(jù)現(xiàn)在非常令人信服，我們知道黑洞實(shí)際上是真實(shí)存在的這一事實(shí)似乎有利于它們作為暗物質(zhì)的解釋，這比我們對(duì)任何其他暗物質(zhì)粒子候選者的說法都要好。

那么這需要什么才能成為現(xiàn)實(shí)呢？暗物質(zhì)約占宇宙質(zhì)量的80%，但它比普通物質(zhì)分散得多。例如，在我們的銀河系中，它形成了一個(gè)巨大的光暈，直徑大約是銀河系螺旋盤的兩倍。因此，要使黑洞成為暗物質(zhì)，它們需要足夠豐富以構(gòu)成所有這些質(zhì)量，并且它們需要與暗物質(zhì)相同的方式分布。換句話說，物理宇宙需要是巨大的黑洞群，它們的質(zhì)量之和比宇宙中所有原子的質(zhì)量之和要高出四倍。這些是黑洞作為暗物質(zhì)的不可缺少的東西。

剩下的主要變量是單個(gè)黑洞的質(zhì)量：我們可以通過大量大質(zhì)量黑洞或許多更小的黑洞獲得所需的暗物質(zhì)質(zhì)量。當(dāng)然，一段時(shí)間以來，我們一直在努力尋找黑洞暗物質(zhì)的證據(jù)，任何給定的研究都對(duì)特定范圍的黑洞質(zhì)量敏感。如果一項(xiàng)研究在該范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)足夠多的黑洞，那么該質(zhì)量范圍就被排除為暗物質(zhì)的主要貢獻(xiàn)者。

排除恒星黑洞

在我們開始消除特定的黑洞質(zhì)量之前，讓我們先排除一整類黑洞。我們將從唯一可靠的天體物理學(xué)來源——死星中排除黑洞。我們知道黑洞是從質(zhì)量最大的恒星的剩余核心形成的，通過估計(jì)在宇宙歷史中形成和死亡的恒星數(shù)量，我們可以很好地估計(jì)這些黑洞的最大可能數(shù)量。

當(dāng)我們眺望遠(yuǎn)方時(shí)，我們實(shí)際上是在回顧過去，因此我們可以從理論上看到早期宇宙中發(fā)生的恒星形成。我們還可以看到超新星爆炸的產(chǎn)物——與其說是這些爆炸產(chǎn)生的黑洞，不如說是這些恒星在垂死掙扎時(shí)在核心中形成的重元素。恒星形成的歷史和重元素的豐度告訴我們，在任何地方都沒有足夠多的超新星可以為我們提供足夠的黑洞來構(gòu)成所有暗物質(zhì)。此外，如果暗物質(zhì)是在恒星死亡時(shí)產(chǎn)生的，我們會(huì)預(yù)計(jì)它的影響會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加。

原始黑洞

宇宙微波背景中的密度波動(dòng)告訴我們，暗物質(zhì)的引力在第一顆恒星形成之前很久就將物質(zhì)拉到一起。因此，如果暗物質(zhì)是由黑洞構(gòu)成的，那么這些黑洞一定從一開始就與我們同在。幸運(yùn)的是，對(duì)于我們的假設(shè)，我們有理由認(rèn)為在很早的宇宙中可能已經(jīng)形成了大量的黑洞，我們稱這些原始黑洞。我們之前已經(jīng)討論過它們，讓我們更深入地研究原始黑洞是否可以解釋暗物質(zhì)的問題。

有幾種方式可以形成原始黑洞，但最主流的機(jī)制是它們因密度波動(dòng)而坍縮。我們知道早期宇宙中有些區(qū)域的物質(zhì)比其他區(qū)域多一些——我們在大爆炸后大約38萬年的宇宙微波背景中看到了這一點(diǎn)。這些波動(dòng)在早期會(huì)更加強(qiáng)烈，而且可能足夠強(qiáng)大，以至于其中最大的一個(gè)會(huì)坍縮成黑洞。

現(xiàn)在這些黑洞應(yīng)該都是以相同的質(zhì)量形成的，但這個(gè)質(zhì)量取決于早期宇宙狀態(tài)的細(xì)節(jié)，可以是從一粒鹽到數(shù)萬個(gè)太陽的任何質(zhì)量。正因?yàn)槿绱?，要真正證偽原始黑洞為暗物質(zhì)的假說，我們需要排除整個(gè)質(zhì)量范圍。

排除原始黑洞質(zhì)量

宇宙中最大的黑洞的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的數(shù)百萬到數(shù)十億倍，我們基本上在所有星系的中心都看到了這些“超大質(zhì)量黑洞”。暗物質(zhì)不能由這些超大質(zhì)量黑洞構(gòu)成，因?yàn)樗鼈兺芸炀蜁?huì)落到它們的星系中心，與我們觀察到的不符。在另一端，我們有十億噸以下或一座小山質(zhì)量左右的黑洞，我們也可以排除這些，因?yàn)楝F(xiàn)在所有這些黑洞都被霍金輻射蒸發(fā)掉。

我們也可以排除比這大一點(diǎn)的黑洞。為了使暗物質(zhì)由質(zhì)量與較大的小行星相當(dāng)?shù)暮诙唇M成，我們需要數(shù)量非常多的黑洞才能組成我們需要的所有暗物質(zhì)，它們的數(shù)量是宇宙中恒星數(shù)量的十億到數(shù)十億倍。即使這些黑洞會(huì)有微觀的事件視界，但在那些瘋狂的豐富度下，它們會(huì)在各種情況下造成絕對(duì)的破壞。例如，他們會(huì)定期刺穿白矮星和中子星。一個(gè)原始的微型黑洞會(huì)直接穿過白矮星，它會(huì)沉積足夠的熱量，讓恒星的超致密碳和氧發(fā)生核聚變。就像打火柴一樣，這會(huì)引發(fā)災(zāi)難性的連鎖反應(yīng)，發(fā)生1A型超新星爆炸。但是我們觀察到的1A型超新星太少了。

接下來，讓我們看看更大質(zhì)量的黑洞是否符合標(biāo)準(zhǔn)。在這一點(diǎn)上，微引力透鏡成為暗物質(zhì)獵人的首選方法。微透鏡不一定能告訴你透鏡物體是黑洞還是其他一些暗致密物質(zhì)。廣義上，我們將這種暗物質(zhì)候選者稱為“MACHO”。在我們的銀河系中尋找MACHO的最佳方法是監(jiān)測銀河系凸起或鄰近星系中的恒星，看看它們是否因微透鏡效應(yīng)而發(fā)生亮度波動(dòng)。

澳大利亞斯特羅姆洛山上的一臺(tái)專用望遠(yuǎn)鏡在整個(gè)九十年代率先開展了這項(xiàng)工作。第一個(gè)MACHO微透鏡事件被檢測到，但還不足以解釋暗物質(zhì)。從那以后，進(jìn)一步的調(diào)查確實(shí)確定了這些限制。麥哲倫星云對(duì)此特別有利，這些迷你星系中恒星的低水平微透鏡使我們能夠排除在大約月球質(zhì)量到太陽質(zhì)量10倍之間的MACHO作為暗物質(zhì)的主要貢獻(xiàn)者。到目前為止，我們大多排除了圍繞太陽質(zhì)量或更低質(zhì)量的黑洞作為暗物質(zhì)的解釋。

更大的黑洞很棘手，因?yàn)樾枰俚暮诙磥順?gòu)成暗物質(zhì)的質(zhì)量，這意味著它們不太可能通過微透鏡研究被發(fā)現(xiàn)。一種測試方法是觀察矮星系，這些星系是如此的小而密集，以至于即使是幾十個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞現(xiàn)在也應(yīng)該已經(jīng)流到了中心，并在此過程中將質(zhì)量較小的恒星拋入了更高的軌道。

對(duì)矮星系結(jié)構(gòu)的研究告訴我們，不超過4%的暗物質(zhì)可能是幾十到幾千個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞。整個(gè)銀河系中松散結(jié)合的雙星系統(tǒng)的存在給我們帶來了類似的限制——如果有很多質(zhì)量是太陽質(zhì)量幾十倍的黑洞，那么這些雙星早就被近距離接觸撕裂了。

我們已經(jīng)排除了大部分黑洞是暗物質(zhì)的主要來源，剩下的幾個(gè)狹窄的窗口，只是我們的研究不太敏感的窗口，坦率地說，所有暗物質(zhì)都被擠進(jìn)我們還沒有正確觀察到的點(diǎn)是不太可能的，所以暗物質(zhì)可能不是黑洞。