暗物质晕是由原初黑洞组成的？

物理学家认为在宇宙诞生最初千分之几秒的时间内可能产生黑洞，这种黑洞就叫做原初黑洞，它的质量和产生的时间相关，越在后期产生的质量越大，由于产生原初黑洞的时间窗口极短，因此原初黑洞的质量范围应该也很窄，其中一个理论允许的原初黑洞质量范围为20至100倍的太阳质量。暗物质的本质是物理学家和天文学家共同面临的最大的难题之一。其中的一种理论就认为暗物质是由原初黑洞组成的，而且这一想法确实能够解释很多观测现象。

2005年，天文学家Kashlinsky利用Spitzer空间红外卫星发现，宇宙的红外背景辐射存在大量的不规则的斑块状结构，而且这些奇怪的结构随着数据的积累看得越来越明显，这些结构被认为是第一代恒星产生的辐射，经过红移之后来到了红外波段。在2013年，他们将Chandra空间X射线卫星获得的宇宙X射线背景辐射与相同天区的红外背景辐射进行比较（见下图），惊奇的发现这些斑块状结构和X射线背景辐射中的亮斑几乎一一对应，这就表明亮斑处的红外和X射线辐射来自宇宙中的同一区域，而且他们认为这些X射线辐射来自于原初黑洞的吸积。

上图是红外背景辐射，下图是X射线背景辐射。可以对比红外图中的斑块和X射线图中的亮斑。      图片来源：NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (Goddard)

在宇宙大爆炸之后的5亿年间，物质还太热无法塌缩成为恒星，而暗物质不受极高温度的影响，因为它们只靠引力相互作用。暗物质最先塌缩成团块，叫做迷你暗晕（minihaloes），为物质的集聚提供了原初的引力势种子，物质开始逐渐被迷你暗晕吸引，当密度足够大时将会塌缩成第一代恒星。依据他们的观点，暗物质晕是由原初黑洞组成的，那么当气体落向迷你暗晕时，会被黑洞吸积，产生X射线辐射，因而第一代恒星产生的红外斑块和原初黑洞产生的X射线斑块才会在空间上一一对应。

2015年9月14日，人们利用LIGO第一次探测到了引力波，这次引力波事件是由两个质量为36倍和29倍太阳质量的黑洞并合产生的，这对于物理学和天文学都是一个里程碑式的事件，引力波的探测还获得了2017年的诺贝尔物理学奖。但是这两个黑洞和我们在银河系以及其他星系中观测到的恒星级质量黑洞都不一样，我们已知的此类黑洞的质量大都在5至15倍的太阳质量之间，还从来没有观测过到如此大质量的恒星级质量黑洞，而且是一对。这两个黑洞的来源引起了天文学家的兴趣，尤其是在致密星演化领域，多个研究工作相继出现。

但是另一些天文学家随即认为LIGO探测到的这次事件就是两个原初黑洞的并合，因为这个质量和原初黑洞的质量范围相符。比如Kashlinsky计算了这个质量范围的黑洞组成的暗物质晕能够解释所观测到的红外和X射线背景的斑块，另一个天文学家Simeon Bird估计了两个30倍太阳质量左右的原初黑洞并合的概率大致符合根据LIGO观测所估计的概率；原初黑洞吸积所产生的X射线辐射也将对微波背景辐射产生影响，Yacine Ali-Haimoud和Marc Kamionkowski计算了几十倍太阳质量的原初黑洞产生的影响和Planck卫星的微波背景辐射数据大致符合。

虽然由原初黑洞组成的暗物质晕能够解释诸多的现象，但是还是没有任何观测可以支持或者检验这一理论。极暗矮星系被认为是检验暗物质理论绝佳的观测对象，在这类星系中，由物质组成的恒星的总光度非常低，暗物质占星系总质量的比例非常高。得益于几个光学巡天观测，最近几年越来越多的极暗矮星系被发现。但是一些利用极暗矮星系的观测数据进行的计算并不支持这些星系的暗物质晕是由几十倍太阳质量的原初黑洞组成的，比如普林斯顿大学大学的天体物理学家Timothy Brandt对极暗矮星系Eridanus II以及其它几个极暗矮星系的计算。但是在最近的一项研究工作中，哈佛大学史密松天体物理中心的Qirong Zhu和他的合作者改进了计算方法，利用数值模拟发现极暗矮星系的暗物质晕可以由原初黑洞组成，黑洞质量在2倍至14倍太阳质量之间。但是论文的作者最后也强调他们的模型目前还有很大的不确定性，还无法得出决定性的结论。

暗物质晕是否由原初黑洞组成的呢？希望未来观测数据和理论计算能对这一问题给出确定的答案。

中心蓝色恒星聚集的区域为极暗矮星系Eridanus II，图片来自V. Belokurov & S. Koposov

参考资料:

https://www.space.com/33122-dark-matter-black-hole-connection.html

https://phys.org/news/2016-08-star-cluster-machos.html

https://www.cfa.harvard.edu/news/su201816