宇宙中85%的物質(zhì)都是暗物質(zhì)，但暗物質(zhì)究竟是由什么組成的？

大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)是由亞原子粒子構(gòu)成的，例如弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP），或者所謂的軸子。然而，幾十年來對這些粒子進(jìn)行搜索的嘗試總是空手而歸，這也為其他可能性打開了大門。

其中一種可能的組成是黑洞，但不是大質(zhì)量恒星爆炸時(shí)形成的普通黑洞，而是在宇宙早期大量形成的黑洞——原初黑洞。

但是，人們一直沒有發(fā)現(xiàn)原初黑洞存在的蛛絲馬跡。宇宙學(xué)家對黑洞即暗物質(zhì)的假說也是觀點(diǎn)混雜。然而，對引力波的觀測讓這個(gè)想法復(fù)蘇了。

事情是在2016年發(fā)生變化的。這一年，LIGO-Virgo合作報(bào)告了第一次引力波探測，引力波來源于兩個(gè)黑洞的合并。這些黑洞的質(zhì)量（約為30個(gè)太陽質(zhì)量）要比恒星模型（stellar model）的預(yù)測大一點(diǎn)，它們的旋轉(zhuǎn)速度也比預(yù)期的慢一些，所以許多理論家開始考慮其原始起源。

○ LIGO-Virgo探測到兩個(gè)黑洞的合并過程，這啟發(fā)很多宇宙學(xué)家思考，或許原初黑洞的數(shù)量非常之多，多到足以構(gòu)成至少部分的暗物質(zhì)。| 圖片來源：LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (A. Simonnet)

制造原初黑洞的基本方法其實(shí)很簡單：只需要在宇宙早期有一塊區(qū)域，它的密度大約是平均密度的兩倍，剩下的事情，引力自然會完成。

然而，問題首先是，可能存在一塊密度過高的區(qū)域嗎？宇宙微波背景輻射（CMB）的證據(jù)表明，至少在大尺度上，早期宇宙似乎非常均勻。如果所有的密度漲落都像宇宙微波背景輻射中那樣小，那么在宇宙早期根本不會產(chǎn)生任何黑洞。

○ 根據(jù)宇宙暴脹理論，宇宙在大爆炸后加速膨脹，使得量子漲落被放大到宇宙量級，因而至少在大尺度上，早期宇宙看起來非常均勻，正如宇宙微波背景輻射的證據(jù)表明的那樣。| 圖片來源：NASA

然而，理論學(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一些早期宇宙模型，可以在小尺度上產(chǎn)生大密度漲落，同時(shí)仍然與宇宙微波背景輻射的觀測吻合。

粒子物理學(xué)家Juan Garcia-Bellido就提出了一個(gè)這樣的模型，叫做混合暴脹（hybrid inflation）模型。該模型預(yù)測，早期宇宙會產(chǎn)生大量原初黑洞，它們的質(zhì)量分布在廣泛的區(qū)間內(nèi)。

Garcia-Bellido認(rèn)為，這些黑洞可以解決宇宙學(xué)中幾個(gè)懸而未決的問題。例如，一些原初黑洞的合并或許可以解釋在X射線研究中遠(yuǎn)距離觀測到的超大質(zhì)量黑洞的巨大數(shù)量；原初黑洞也可能在產(chǎn)生宇宙紅外背景中測量到的漲落中發(fā)揮作用。

當(dāng)然，最令人興奮的可能是，原初黑洞數(shù)量之多足以解釋暗物質(zhì)的存在。根據(jù)混合暴脹模型，銀河系應(yīng)該是游蕩在大約一萬億個(gè)黑洞的海洋中。然而，García-Bellido解釋說，我們不必為空間中可能充滿了黑洞而緊張不安，因?yàn)樗鼈兊木嚯x非常遙遠(yuǎn)，一個(gè)黑洞靠近我們太陽系的可能性簡直微乎其微。

盡管如此，這些黑洞偶爾還是會發(fā)生碰撞，尤其是撞到彼此身上。迄今為止，LIGO-Virgo探測到了5個(gè)黑洞的合并，這為存在大量質(zhì)量在10個(gè)太陽質(zhì)量范圍內(nèi)的黑洞提供了證據(jù)。但是，這一數(shù)量是否足以構(gòu)成暗物質(zhì)呢？

最近的計(jì)算表明，如果暗物質(zhì)是由質(zhì)量介于10到300個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞組成，那么，在第一次運(yùn)行時(shí)，LIGO就應(yīng)該探測到數(shù)百個(gè)黑洞合并事件。反過來說，數(shù)個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞可能只占所有暗物質(zhì)的1%。

然而，也存在一些情景可能超越這個(gè)限制，例如，黑洞可能會因?yàn)橐ψ饔枚Y(jié)合成團(tuán)，類似于恒星形成星團(tuán)那樣。García-Bellido認(rèn)為，黑洞團(tuán)體內(nèi)部的引力擾動會降低總體的合并率，但是成團(tuán)的全部影響仍然是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。

對于多少暗物質(zhì)是由黑洞構(gòu)成的，研究人員根據(jù)各種各樣的數(shù)據(jù)來確定這個(gè)界限，有來自宇宙微波背景輻射的觀測數(shù)據(jù)，也有來自矮星系的恒星密度分布。其中最早的限制來自于搜尋引力透鏡效應(yīng)的結(jié)果。

引力透鏡效應(yīng)是指，當(dāng)大質(zhì)量黑洞穿過一顆遙遠(yuǎn)的恒星和地球之間時(shí)，黑洞的引力場會使到達(dá)地球的星光彎折，因而恒星看起來會短暫地變亮。