研究表明原始黑洞只能解释一小部分暗物质

什么是暗物质?这个问题在有关宇宙本质的讨论中很突出。标准模型内部和外部都提出了许多关于暗物质的解释。

暗物质的一个假设成分是原始黑洞，它是在早期宇宙中形成的，没有坍缩的恒星作为前身。

暗物质问题是一个缺失质量问题。星系不应该根据其可观测质量保持在一起。它们的可观测质量是恒星、气体、尘埃和少量行星。

必须存在某种其他形式的质量才能防止星系从本质上消散。暗物质是一个占位符，代表缺失的质量。天文学家弗里茨·兹维基于1933年首次使用这个术语，当时他观察了后发座星系团并发现了缺失质量的迹象。后发座星系团约90%的质量缺失，兹维基称之为“暗物质”。

哈勃太空望远镜的马赛克显示了巨大的后发座星系团的一部分，该星系团包含1,000多个星系，距离我们3亿光年。其星系的快速运动是暗物质存在的第一个线索。图片来源：NASA、ESA、J.Mack(STScI)和J.Madrid(澳大利亚国家望远镜设施)

原始黑洞(PBH)是暗物质的主要候选者之一。在宇宙的早期，致密的亚原子物质可能自然形成。一旦密度足够大，它们可能会直接坍缩成黑洞。与天体物理学同类不同，它们没有恒星前身。

最近的JWST观测和LIGO/Virgo结果支持PBH是暗物质的观点。一些研究人员进一步表示，这一证据支持暗物质完全由PBH组成，没有其他成分的观点。

新的研究表明，一些早期的PBH会合并，而LIGO/Virgo可以探测到合并产生的引力波。这项研究名为“LIGO-Virgo-KAGRAO3事件对原始黑洞的限制”，并发布在arXiv预印本服务器上。主要作者是M.Andres-Carcasona，他是巴塞罗那科学技术学院高能物理研究所的博士生。

2015年，LIGO(激光干涉引力波天文台)探测到了第一次黑洞合并。当时，研究人员预示着这是观察宇宙的新窗口。在此之前，天文观测都是基于电磁辐射，但LIGO/Virgo改变了这一现状。

现在，日本也加入了LIGO/Virgo合作项目，并建立了Karga引力波天文台，这项国际合作被命名为LIGO/Virgo/Karga(LVK)。这三个天文台共同收集引力波数据。

“先前的研究已经探索了如何使用引力波数据来寻找黑洞的直接或间接证据，”作者写道。“专门针对太阳以下质量致密物体进行搜索，以提供黑洞存在的确凿证据，但迄今为止尚未成功。”

作者指出，在我们日益增长的引力波数据中，可能存在其他研究人员方法遗漏的PBH迹象。他们写道，一些组成质量“……落在天体物理模型无法预测的区域，这可能表明存在PBH群。”

PBH的质量函数在PBH的形成过程中起着重要作用。他们的目标是更新引力波数据中PBH的质量约束。“我们的目标之一是推导出不显著依赖于底层形成场景的约束。因此，我们考虑了各种不同的PBH质量函数，”他们解释道。

他们提到的两种基本形成情景是天体物理和原始。在原始类别中，PBH可以以不同的方式形成，并且都与质量函数纠缠在一起。作者解释说，PBH可以解释暗物质的总体情况，但前提是它们的质量在10-16到10-12个太阳质量范围内。

他们写道：“较轻的黑洞今天将会蒸发，并且只能构成DM的一小部分。”

天体物理黑洞形成双星并可以合并，发出引力波。如果黑洞合并，它们也会发出引力波。LIGO/Virgo/Karga在第三次观测中探测到的一些引力波数据可能就是由这些合并引起的。

研究人员以悲观和乐观两种情况来描述他们的研究结果。悲观情况认为，所有引力波观测都来自天体物理黑洞(ABH)合并，而乐观情况则认为，有些引力波观测来自PBH合并。

他们的研究及其结果涉及大量复杂的物理术语和关系。但主要问题是PBH是否可以部分或全部由暗物质组成。在这种情况下，结果归结为什么?

研究人员表示，在对天体物理双星和原始双星的分析中，PBH不能完全由暗物质组成。它们最多只能占其中的一小部分。

“…在由原始黑洞和天体黑洞组成的双星群中，我们发现，在每种情况下，PBH最多可以构成小于或等于10-3质量范围在1至200个太阳质量内的暗物质的fPBH。”

fPBH表示PBH可以包含的暗物质的比例，10-3表示0.001，太阳质量范围是不言而喻的。不需要物理学家就能理解他们的意思。在他们的分析中，PBH只能构成暗物质的一小部分。

这项研究可能不会成为头条新闻。它深入探究天体物理学和宇宙学，研究人员团队努力逐步限制和定义不同的现象。但这并没有削弱其重要性。

有一天，可能会出现这样的头条新闻：“物理学家发现暗物质!宇宙大问题得到解答!”

如果这种情况真的发生，那么将需要数百数千项类似的研究来支持它。