周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏
周三 · 视频专栏|周四 · 观测指南
周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 太空探索
作者：Tom Metcalfe
翻译：杨欣冉
校对：黄雪妮
编排：余家劲
后台：库特莉亚芙卡 李子琦 徐⑨坤 胡永葳
原文链接：https://www.space.com/dark-matter-made-of-black-holes
对时空涟漪的分析表明，暗物质这种神秘物质可能由太初黑洞组成。
暗物质可能由古老的黑洞组成。
图源：Shutterstock
神秘的暗物质具有引力却不发光，黑洞也是如此，它们的相似之处难免让人浮想联翩。一项新的研究表明，暗物质实际上可能是由宇宙诞生之初形成的大量古老的黑洞组成。
这可不是空穴来风，通过分析由黑洞和中子星之间两次远距离碰撞产生的引力波，研究人员得出了该结论。
在2019年，华盛顿州和路易斯安那州的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）以及意大利比萨附近的室女座引力波探测器探测到了GW190425和GW190814两个引力波信号。这两个时空涟漪是由1.7~2.6倍太阳质量的黑洞和一个较小的中子星碰撞产生。
但每一次的碰撞，将使其中一个天体成为天体物理学家所说的太阳质量黑洞——其质量大致相当于太阳质量。
这项研究的首席研究员，加州大学洛杉矶分校的沃洛迪米尔·塔克史托夫（Volodymyr Takhistov）说：“太阳质量黑洞非常神秘，它们是传统天体物理学无法预估的。” 例如超新星或恒星爆炸，使大质量恒星坍缩成黑洞。
与传统观念不同，作者在2月16日发表在《物理评论快报》上的论文中提出，这些太阳质量黑洞可能是大爆炸期间产生的“原初”黑洞。塔克史托夫说，它们可能是在中子星演化为黑洞之后形成的，也有可能是在吞噬了原始的黑洞或者在吸收了某些的暗物质之后形成的。
1
太初黑洞
星际穿越电影中黑洞卡冈图雅剧照。
如果太初黑洞存在的话，它们很可能产生于大约137.7亿年前大爆炸的第一秒钟。它们可能大小不一——最小至微观尺度范围，最大达到数万倍太阳质量。
计算表明，最小的黑洞通过霍金辐射发射量子粒子，到现在已经“蒸发”殆尽了。因此，如今依旧存在着的太初黑洞质量都大于10^11 kg（约为一颗小行星的质量）。
一些天体物理学家认为，如果它们确实存在，那么这些古老的黑洞可能会构成位于星系边缘的巨大“暗物质”晕。
研究人员想知道他们能否区分原始黑洞与中子星形成的黑洞。
据天体物理学家估算，小于五倍太阳质量的恒星坍缩后会形成超质密的中子星，其质量与我们的太阳差不多，同时被压缩成一个城市大小的球体。
根据这个理论，一些引力巨大的中子星会不断捕获暗物质粒子；同时这项新研究表明，它们巨大的引力最终将会使其和暗物质一起坍缩成一个黑洞。
这项研究还提出了另一种可能：中子星可能捕获到一个小型太初黑洞并与之合并。该黑洞固定在中子星重心处，不断吞噬周围的物质，直到只剩下黑洞为止。
2
引力波
双星合并时产生的引力波概念图。
塔克史托夫和他的同事推测，由中子星演化形成的黑洞必须遵循原始中子星的质量分布，而这又取决于其母星的大小。
考虑到这一点，研究者查看了迄今为止大约50个引力波的探测数据，发现只有GW190425和GW190814两个质量合适的观测对象为太初黑洞。
而这项研究并非是结论性的：这两次碰撞仍有可能涉及到同样是这个质量的中子星，或者是由这种大小的中子星演化而来的黑洞。论文作者补充道，理论上来说，存在于宇宙中的中子星的质量分布使得这种可能性不大。
“我们的工作推动了了解太初黑洞起源及其与暗物质的关系的研究，”塔克史托夫说，“特别的是，这项研究表明，明显重于约1.5倍太阳质量的黑洞极不可能因中子星的破坏而被‘转化’成黑洞。”
如果真是这样的话，则表明原始黑洞可能确实存在，并且它们可能是暗物质的组成部分。
塔克史托夫说，随着引力波探测的深入，相关的研究方法会变得更加精确：“这项研究本质上属于统计学范畴，所以收集更多的数据将有助于我们更好的探索和理解。”
责任编辑：邱煜欣
牧夫新媒体编辑部
『天文湿刻』 牧夫出品
微信公众号：astronomycn
黄道之夜
图源：Jean-Francois Graffand
谢谢阅读