我們宇宙的80%質(zhì)量對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的區(qū)域，甚至連光都無法逃脫。黑洞真實存在的證據(jù)現(xiàn)在非常令人信服，我們知道黑洞實際上是真實存在的這一事實似乎有利于它們作為暗物質(zhì)的解釋，這比我們對任何其他暗物質(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。當然，一段時間以來，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特定范圍的黑洞質(zhì)量敏感。如果一項研究在該范圍內(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這些黑洞的最大可能數(shù)量。

當我們眺望遠方時，我們實際上是在回顧過去，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)是在恒星死亡時產(chǎn)生的，我們會預(yù)計它的影響會隨著時間的推移而增加。

原始黑洞

宇宙微波背景中的密度波動告訴我們，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。幸運的是，對于我們的假設(shè)，我們有理由認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，但最主流的機制是它們因密度波動而坍縮。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。這些波動在早期會更加強烈，而且可能足夠強大，以至于其中最大的一個會坍縮成黑洞。

現(xiàn)在這些黑洞應(yīng)該都是以相同的質(zhì)量形成的，但這個質(zhì)量取決于早期宇宙狀態(tài)的細節(jié)，可以是從一粒鹽到數(shù)萬個太陽的任何質(zhì)量。正因為如此，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，因為它們往往很快就會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，因為現(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的黑洞。為了使暗物質(zhì)由質(zhì)量與較大的小行星相當?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。即使這些黑洞會有微觀的事件視界，但在那些瘋狂的豐富度下，它們會在各種情況下造成絕對的破壞。例如，他們會定期刺穿白矮星和中子星。一個原始的微型黑洞會直接穿過白矮星，它會沉積足夠的熱量，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準。在這一點上，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。

澳大利亞斯特羅姆洛山上的一臺專用望遠鏡在整個九十年代率先開展了這項工作。第一個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，進一步的調(diào)查確實確定了這些限制。麥哲倫星云對此特別有利，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，因為需要更少的黑洞來構(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太陽質(zhì)量的黑洞。整個銀河系中松散結(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)都被擠進我們還沒有正確觀察到的點是不太可能的，所以暗物質(zhì)可能不是黑洞。