原初黑洞“囚禁”了暗物质(下)

MACHOs可能在最古老的宇宙图谱留下了最深的印迹，天文学家称之为宇宙背景辐射图谱，它是由宇宙大爆炸之后大约40万年时在宇宙太空遗存的微弱能量辐射的余晖。亚原子粒子聚合为原子，背景温度逐渐下降，自由穿行的光子释放了人们今天能够探测的背景辐射。但MACHOs作为暗物质源泉的设想没有得到科学家的普遍支持，已经淡出了人们的视线，西北大学的天体物理学家维克·卡罗吉拉解释说，很久以前，有些科学家提出了一种设想，宇宙的极早期黑洞由暗物质构成，假如他们的设想是正确的，那么在宇宙微波背景辐射中存在特定的印迹，但人们至今没有发现MACHOs的信号。

科学家一直在搜索引力透镜现象，这是由时空弯曲或光线弯曲带来的视觉效应，大质量黑洞之类的天体产生了引力透镜效应，已经发现了大量的由星系之类大质量天体造成的引力透镜现象。在明亮恒星的前方经过的原初黑洞引起了“微透镜效应”，但天文学家没有发现原初黑洞的“微透镜”。最近几年，科学家出现了一个十分流行的概念，暗物质可能由弱相互作用的大质量粒子或 WIMPs构成，理论假设的 WIMPs有非常大的质量，但它们不与普通物质粒子发生任何的作用，它们在穿越重子之类的普通粒子时“如入无人之境”，也因此被称之为“幽灵粒子”，好像量子物理学家将量子行为理解为“幽灵行为”。

有几项大胆的实验正在如火如荼地展开，科学家使用了深藏在地下的超冷探测器，以探寻暗物质粒子经过的信号，诸如：LUX之类的探测仪器深藏在南达科他州的黑山内部，科研人员经过多年的搜索，目前没有发现暗物质粒子经过的任何信号。卡什林斯基科学小组密切关注暗物质搜索的任何进展，他们相信对暗物质的搜索将持续很长的时间，还没有获得可靠的暗物质信号，而引力波的发现让卡什林斯基科学小组的成员感到十分振奋，可能从其它途径寻找暗物质的信号。科学家相信暗物质的存在，问题是它们如何存在。

2016年2月，LIGO国际合作团队第一次探测到了被称之为引力波的时空纤维涟漪，“幽灵涟漪”的引力波一直躲避了地面实验室最灵敏的仪器，逃避了全球科学家明亮的双眼和智慧的心灵，在过去100多年的时间，科学家一直在想方设法地检验引力波的理论预测。在首次发现引力波的情形中，两个黑洞发生了碰撞，一个黑洞的质量为太阳的29倍，另一个黑洞的质量为太阳的36，大约有三个太阳质量的黑洞物质在碰撞过程中瞬间变成了引力波辐射，黑洞引力波对时空弯曲造成了长时间的影响，在大约10亿之后，科学家在地面实验室探测到了引力波的经过。LIGO国际合作团队使用了激光干涉引力波观测台的核心仪器，有15个国家的900位科学家参入了搜索计划，从2002年以来，耗资10亿美元的实验项目一直在搜索可能出现的引力波信号。

两个合并黑洞的质量大约相当于太阳的30倍，中等质量的黑洞极为罕见，它们的发现有利于暗物质由 MACHOs构成的假说。卡什林斯基解释说，中等质量黑洞不仅适合 对MACHOs尺度的估算，而且可能帮助天文学家发现“微透镜”现象，其它的可能性与宇宙背景辐射有关，相关的数据还不够详细，科学家没有看到由古老的原初黑洞引起的辐射扰动。卡什林斯基形象地解释说，好像为孩子做了一块披萨，自己将面团放进了油锅，突然间在面团上出现了一个、一个的小洞，原初黑洞对宇宙背景辐射产生的扰动就是这样，在非常早期的宇宙发生了背景辐射的扰动，这一切发生在宇宙第一批气体物质产生之前。

卡什林斯基科学小组希望在MACHOs的“面圈小洞”找到一些线索，他们比较了两种宇宙早期背景辐射，一种是宇宙红外线背景 (CIB)图谱，另一种是宇宙X—射线背景 (CXB)图谱，希望找到难以解释的图谱上的“补丁”，它们表示了原初黑洞遗留的信号。2016年6月，LIGO国际合作团队第二次发现了引力波信号，在两个相互碰撞的黑洞中，一个为太阳质量的8倍，另一个为太阳质量的15倍，接近了原初黑洞低质量的范围，科学家通常认为，原初黑洞的最小质量为太阳的10倍或20倍。卡什林斯基科学小组对原初黑洞的理论质量和实际质量进行了对比，以找出两种质量出现差异的原因，在未来的几年可能发现其中的线索。LIGO国际合作团队启动了新一轮的观测计划，卡什林斯基科学小组希望可以发现小质量范围的原初黑洞。

卡什林斯基科学小组在等待LIGO合作团队的后续发现，他们最近提出了一个如何发现微透镜现象的构想，很难在宇宙的黎明时期找到原初黑洞的信号，但在我们的银河系更容易寻找原初黑洞的踪迹，它们的数量在银河系估计有100亿到1000亿个，假如它们偶然在一颗恒星的前方经过，天文学家可能观测到微透镜效应的发生。

科学小组对探测宇宙背景辐射的欧几里得望远镜抱有信心，它在2020年发射升空时搭载了被称之为 LIBRAE的探测器，它比以前的COBE更加灵敏，宇宙微波背景探测器COBE曾记录了相当精确的宇宙背景辐射图像，从足够精确的辐射图谱显示了“披萨面团的小洞”，它们可能是由宇宙极早期的原初黑洞留下的痕迹。卡什林斯基小组相信，正确的探测方法是破解暗物质谜题的关键，但他们不是“下赌注”的一群人。暗物质也许在原初黑洞“躲藏”，科学家只有不断缩小可能的范围。卡什林斯基科学小组设想了科学危机发生的局面，假如没有发现原初黑洞和在原创黑洞潜藏的暗物质，那么现有的某些科学理论将会遭遇一场科学危机。

（编译：2016-7-26）