暗物质不会全是黑洞

搜寻超新星的引力透镜(黑洞为透镜天体)事件无果而终。研究人员因此得出结论：黑洞无法解释宇宙中所有的暗物质。

暗物质约占宇宙物质的85％。人们很早就怀疑它就是黑洞，但尚不清楚黑洞总质量能否足以解释所有的暗物质。最近，有关超新星的一项研究给出否定的答案。若视线附近有一颗质量足够大的黑洞，超新星看起来会显得更亮，从而显露黑洞的存在(图1)。加州大学的Zumalacárregui和Seljak观测了一千多颗超新星以发现这一效应，然而一无所获。他们因此得到结论：重于0.01M⊙的所有黑洞最多只占宇宙暗物质的40％。

图1 若超新星视线附近存在一颗黑洞，那么看到的爆发就会显得更亮些。这颗黑洞的引力场会弯曲超新星发来的光线，正如一面凸透镜那样增亮了背后的光源

霍金于1974 年提出一个想法：黑洞可能就是宇宙中的暗物质。这个看法不需假设理论上推测的新粒子(至今在加速器和暗物质实验中均未发现)，因而很受关注。诚然大质量恒星核心塌缩时会形成黑洞，但这类黑洞并不足以解释所有的暗物质。新的理论研究表明，宇宙极早期密度涨落导致的引力坍缩或可造就大量的原初黑洞，其总质量也许足以解释暗物质。不过，我们目前对宇宙那个时代的认识还很肤浅；如果原初黑洞真的存在的话，推测其质量会在10-5 g至109M⊙之间。

对于星核坍缩产生的黑洞而言，其周围往往残留气体或尘埃。然而，那些原初黑洞则诞生于原子形成之前，其周围没有可见物质，因而彻底黑暗。为发现这样的黑洞，我们需借助黑洞引力场对光的弯曲，即引力透镜效应。之前关于黑洞引力透镜效应的搜寻已经排除存在(10-8-10)M⊙之间的大量原初黑洞，从而约束了暗物质的黑洞模型。2015 年，LIGO—Virgo 合作组探测到首例双黑洞并合的引力波信号，其中每颗黑洞的质量均大于25M⊙，比预期的大质量恒星死亡时产生的黑洞重得多。这一发现让人怀疑LIGO—Virgo合作组已经探测到了原初黑洞，再次激发大家探讨黑洞作为暗物质候选体的兴趣。

Zumalacárregui和Seljak也利用引力透镜效应来寻找黑洞。引力透镜这一手段在以前的研究中已成功实施；比如在一颗恒星和地球之间存在某一天体(如黑洞)，该星的光线将被引力场弯曲，从而产生这种类似透镜的效果。如图1 所示，黑洞充当透镜时将使恒星看起来更亮，增亮的程度取决于黑洞的质量。此前的引力透镜实验只是在大小麦哲伦云中搜寻黑洞对恒星的增亮。而这次观测持续时间跨度较大，可监测几分钟到五年尺度上的光变，因而足以发现几十倍M⊙的黑洞经过恒星视线附近时导致的引力透镜效应。

不过，该方法要探测更大质量的黑洞则需要在十年或更长时间内监测一颗恒星的光变，显得不切实际。不同的是， Zumalacárregui 和Seljak 考虑引力透镜导致超新星的增亮。Ia 型超新星被看作标准烛光，可通过测量光极大后衰减的快慢来确定其内禀光度。由于引力透镜效应，在一颗黑洞背后偶然爆发的超新星要比预期看起来更亮。扣除黑洞经过时对超新星光变衰减的影响，这项研究有能力发现0.01 到几千M⊙的黑洞。

这两位学者分析了一千多颗的Ia 超新星观测数据，但没有发现显著的增亮效应。假定黑洞有一定的质量分布并在地球和超新星之间随机运动，他们可计算引力透镜的事件率，并据此得出结论：这些黑洞的总质量最多仅占暗物质的40％(图2)。原初黑洞是非相对论性运动的，可充当冷暗物质的角色。虽然没在加速器中发现，但原初黑洞还会导致其他后果(例如充当星系核超大质量黑洞的种子，宇宙大小尺度上结构的形成，甚至影响宇宙的热演化)。依据某些天体物理观测效应而给出的原初黑洞限制也标记于图2中。

图2 在95%置信度上对宇宙原初黑洞的限制。横轴是原初黑洞的质量，纵轴是原初黑洞占物质(左)或暗物质(右)的比例。蓝色的实线和虚线都是超新星引力透镜观测给出的限制，只是所用样本不一。LIGO给出的限制很不确定(灰色区域)。其他限制曲线由EROS、Eridanus II、CMB(未标记)等观测项目给出

Zumalacárregui和Seljak 的研究表明， 重于0.01M⊙ 的黑洞不足以解释全部暗物质。但也有可能黑洞只占暗物质的一小部分，其余成分可能包括弱相互作用重粒子(WIMP)、惰性中微子、轴子等。鉴于此，未来可继续通过探测超新星增亮来进一步约束宇宙中黑洞的总量。比如，即将启动的大型综合巡天望远镜(Large Synoptic Survey Telescope)项目能够在3 天内对全天区进行成像，从而极大地提升观测瞬变源的能力，必将有助于发现黑洞作为透镜天体(背景源可以是超新星、恒星甚至其他发光天体)的事件。

更多内容详见： M. Zumalacárregui and U. Seljak，Phys. Rev. Lett.，2018，121：141101。

(北京大学徐仁新编译自Simeon Bird. Physics，October 1，2018)

本文选自《物理》2018年第12期

1. 一幅图读懂量子力学（下）

2. 真空不空| 涂涛 郭光灿

3. 吾爱吾师及真理——大师间的师生情 | 周末大家谈

4. 为纪念物理大师费曼百年诞辰而作 | 赵凯华

5. 纪念费曼 | 姬扬

6. 关于统计力学的基本原理 | 郑伟谋

7. 物理英才‖曹则贤带你解析大自然的花样

8. 超导“小时代”之三十七：超导之从鱼到渔

9. 科学的一生——怀念父亲程开甲 | 程漱玉

10. 量子十问之二：“爱因斯坦幽灵”能用来实现超光速通信吗？| 郭光灿

END