詹姆斯韦伯望远镜或有助于解开暗物质之谜

一项新研究探索了最近卷土重来的旧理论，结果表明暗物质可能由古老的黑洞组成。明年，美国宇航局最近发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测结果可能暗示，宇宙诞生时形成了许多黑洞。这些观测结果甚至可能解释暗物质的引力效应。

许多粒子物理模型使用所谓的弱相互作用大粒子来解释暗物质，这些粒子是理论上的重粒子，移动缓慢，通过引力牵引普通物质。但圣克鲁斯大学物理学家、博士生本杰明·莱曼 (Benjamin Lehmann) 表示，这种解释“与最近的实验数据越来越不符”。莱曼研究暗物质和粒子物理，并未参与这项研究。因此，粒子物理学界一直渴望探索暗物质的其他候选者——包括在新模型中重新审视过去的理论。

20 世纪 70 年代初，斯蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) 预测，超热、致密的早期宇宙中的致密空间可能成为第一批黑洞。时间之初形成的黑洞被称为原始黑洞，它依赖于一个关键事实：宇宙的大尺度结构是大爆炸后微小波动的结果。

根据这一理论，这些波动的粒子将达到临界密度，准备变成黑洞，但它们周围的高热不会让它们瞬间坍缩。欧洲航天局科学主任、X 射线天文学专家、即将发表在《天体物理学杂志》上的新研究报告的作者 Günter Hasinger 说，粒子太热了，它们“像疯了一样四处飞驰”，无法坍缩成黑洞，直到宇宙扩散并冷却到足以允许它坍缩成黑洞。

哈辛格说，这种坍缩只有当被称为夸克的基本粒子能够聚结成质子时才会发生，而这在宇宙诞生仅仅几分之一秒的时候就开始了。

迈阿密大学天体物理学家、这项研究的负责人尼科·卡佩卢蒂说，研究小组着手研究我们今天看到的宇宙是否可能是由原始黑洞的“新宇宙学”创造的。他们的模型发现，一个由原始黑洞充当暗物质的宇宙可能与我们的宇宙非常接近。

“原始黑洞和暗物质并不相互排斥，”莱曼说。“原始黑洞是暗物质的一种可能形式。”他说，用这个模型可以测试的科学难题数量之多令人惊叹，而且这项研究的方法非常彻底。

[相关：詹姆斯韦伯太空望远镜已完全展开其复杂而巨大的遮阳板]

该团队的模型预测恒星的形成时间约为 5000 万年，比标准模型预测的 3 亿年要早得多。卡佩卢蒂表示，通过仔细观察遥远而古老的宇宙，科学家或许能够解决这一差异。

詹姆斯·韦伯望远镜的设计初衷是研究来自 135 亿年前的信号，它可能是霍金数十年前的设想与暗物质之间的桥梁。哈辛格说，当霍金提出原始黑洞时，研究人员“并没有真正的规模感”。他们认为产生的黑洞会非常小，因此在随后的几年里，科学家们一直在寻找小黑洞产生的伽马射线。当他们没有找到这些伽马射线时，这个想法被大多数研究人员搁置了几十年。

直到后来，科学家才意识到，原始黑洞可能存在于各种尺寸的物体中，包括质量大得多的物体。哈辛格说，在首次探测到引力波后，原始黑洞的概念也得到了很大的关注，因为探测到的引力波比天文学家预期的要重。

卡佩卢蒂表示，即使拥有当今最好的望远镜，科学家们对早期宇宙的了解仍然“存在很大差距”。天文学家可以观测到宇宙历史的最近 130 亿年，但它的历史约为 140 亿年。他说，这缺失的 10 亿年充满了未解之谜，例如，我们是如何最终得到如此巨大的黑洞的，其质量是太阳的数十亿倍。以研究人员目前对物理学的理解，这些超大质量黑洞的形成很难解释。

哈辛格确信，詹姆斯·韦伯望远镜将能够在所谓的“深空”中看到恒星（如果它们存在的话）。“深空”是太空中的黑暗区域，哈勃太空望远镜首次在此发现了大量最古老的星系。如果发生这种情况，很可能在天文台开始运行后数月内发生。

卡佩卢蒂表示，詹姆斯·韦伯望远镜将“打开那扇窗户”，让我们看到遥远的时代。如果它发现原星系的数量比预测的多得多，它们的数量和属性可能就是原始黑洞是否存在的一个很好的指标。但卡佩卢蒂表示，“确凿的证据”很可能是未来探测到来自原始黑洞的引力波。

莱曼认为，詹姆斯·韦伯太空望远镜有可能测试作者的模型，这是一个“令人兴奋的可能性”。但他表示，他认为“这并不能完全解决暗物质是否由原始黑洞组成的问题。”

哈辛格说，科学家通常不会试图证明他们的理论是正确的，他们只是提出一个理论，然后试图“推翻它”。试图在一个理论中找出漏洞的尝试失败的次数越多，它就越牢固。如果它不能被推翻，这个理论就会继续存在——至少在下一代实验和发现出现之前。

无论该团队的理论是否被推翻，即将到来的观测都将成为寻找原始黑洞的重要里程碑。如果科学家研究了韦伯最深层的观测结果，却“没有发现标准模型有任何变化的迹象”，哈辛格说，“那么我们就有麻烦了。”

更正，2022 年 1 月 7 日：本文的先前版本称，古老的超大质量黑洞的质量将是太阳的数百万倍。事实上，它们的质量将是太阳的数十亿倍。