暗物質(zhì)是宇宙中最神秘的成分之一，它占據(jù)了宇宙中大部分的物質(zhì)，但卻從未被直接觀測到。暗物質(zhì)的存在只能通過它對可見物質(zhì)的引力作用來推斷，例如影響星系的形成和運(yùn)動。暗物質(zhì)究竟是由什么構(gòu)成的？它是否能夠像普通物質(zhì)那樣，在引力作用下坍縮形成黑洞？
黑洞是一種極端的天體，它的密度和引力場如此之大，以至于連光都無法逃逸。根據(jù)廣義相對論，任何具有足夠密度和質(zhì)量的物體都可以形成黑洞。為了形成黑洞，一個天體的半徑必須達(dá)到一個臨界值，稱為史瓦西半徑，這個半徑與天體的質(zhì)量成正比。例如，太陽如果要變成黑洞，就必須壓縮到 3 公里以下的大小。
那么，暗物質(zhì)是否也可以通過類似的方式形成黑洞呢？它是否能夠達(dá)到這樣的密度呢？答案是不確定的。因?yàn)槲覀儾⒉恢腊滴镔|(zhì)是由什么組成的，也不知道它們之間有沒有除了引力以外的其他相互作用。目前最流行的假設(shè)是暗物質(zhì)由大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMPs）組成，這些粒子只能通過引力和弱核力與其他粒子交換信息。如果這個假設(shè)正確，那么暗物質(zhì)就很難形成黑洞，這里有兩個主要的原因。
第一個原因是 WIMPs 之間沒有電磁相互作用，也就意味著它們不能通過輻射或者相互摩擦來釋放多余的能量和角動量。而這些能量和角動量會使它們一直保持高軌道運(yùn)動，不會向中心靠攏，密度也就不怎么會增加。另一個原因是 WIMPs 之間有弱相互作用，這就意味著當(dāng)暗物質(zhì)密度增加時(shí)，WIMPs 會發(fā)生衰變或者湮滅，并產(chǎn)生其他類型的粒子（比如中微子），從而降低了暗物質(zhì)本身的密度。
因此，如果沒有一種可以釋放角動量和抵消弱核力效應(yīng)的機(jī)制，暗物質(zhì)永遠(yuǎn)無法達(dá)到產(chǎn)生事件視界所需的密度。當(dāng)然，并不排除存在其他類型或者性質(zhì)的暗物質(zhì)粒子。
此外，黑洞的形成還有另外一種機(jī)制，它認(rèn)為在宇宙誕生之初就形成了原始黑洞。原始黑洞是指在大爆炸后不久就形成的黑洞，而不是由恒星坍縮而成。早在 1970 年代，著名物理學(xué)家史蒂芬?霍金和伯納德?卡爾就曾提出過這樣一種理論：在大爆炸后的一瞬間，宇宙中密度分布并不均勻，有些地方比其他地方更“凹凸不平”，擁有更多的質(zhì)量。這些“凹凸”區(qū)域會塌縮成為小型原始黑洞。
研究表明，如果絕大多數(shù)原始黑洞都“出生”時(shí)具有約 1.4 倍太陽質(zhì)量大小 ，那么它們就可以解釋所有暗物質(zhì)了。這個模型有什么證據(jù)支持呢？目前還沒有直接的觀測數(shù)據(jù)，但是一些間接的線索可能暗示了原始黑洞和暗物質(zhì)之間的聯(lián)系。2016 年，美國宇航局的一位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在宇宙中不同波長的背景輻射中，有一些異常的起伏。這些起伏可能是由原始黑洞造成的，而這些原始黑洞也正是構(gòu)成暗物質(zhì)的候選者之一。
另一個間接線索來自于引力波探測器 LIGO 和 Virgo 所觀測到的黑洞合并事件。2015 年以來，LIGO 和 Virgo 已經(jīng)探測到了數(shù)十個這樣的事件，并且發(fā)現(xiàn)其中一些涉及到非常大質(zhì)量（幾十倍太陽質(zhì)量）或非常小質(zhì)量（幾倍太陽質(zhì)量）的黑洞。這些黑洞很難用傳統(tǒng)方式來解釋，因?yàn)楹阈翘s形成的黑洞通常不會超過 20 倍太陽質(zhì)量，也不會低于 3 倍太陽質(zhì)量。但如果它們是原始黑洞，那么就可以有任意大小，并且可以在早期宇宙中相遇并合并。
當(dāng)然，這些線索都還不足以證明原始黑洞就是暗物質(zhì)，也不能排除其他可能性。為了驗(yàn)證這個模型，我們需要更多更精確更全面的觀測。
本文來自微信公眾號：萬象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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