黑洞和暗物质是一样的吗？

一组天体物理学家提出了宇宙如何形成的替代模型，他们认为所有黑洞 – 从那些像针头一样小的黑洞到覆盖数十亿英里的黑洞 – 都是在大爆炸后立即产生的，并解释了所有暗物质。

这就是迈阿密大学，耶鲁大学和欧洲航天局的天体物理学家的一项研究的含义，该研究表明黑洞自宇宙开始以来就已经存在，并且这些原始黑洞可能是尚未解释的暗物质。如果从本月詹姆斯·韦伯太空望远镜发射中收集的数据证明这是真的，这一发现可能会改变对两个宇宙奥秘的起源和性质的科学理解：暗物质和黑洞。

“我们的研究预测了早期宇宙的样子，如果暗物质不是未知粒子，而是由大爆炸期间形成的黑洞构成的 – 正如斯蒂芬霍金在1970年代所建议的那样，”迈阿密大学物理学助理教授Nico Cappelluti说，该研究的第一作者计划发表在”天体物理学杂志”上。

“这将产生几个重要的影响，”Cappelluti继续说道，他今年扩大了他在耶鲁大学开始的研究，担任耶鲁大学天文学和天体物理学奖博士后研究员。”首先，我们不需要’新物理学’来解释暗物质。此外，这将有助于我们回答现代天体物理学中最引人注目的问题之一：早期宇宙中的超大质量黑洞怎么会长得这么快？鉴于我们今天在现代宇宙中观察到的机制，它们没有足够的时间形成。这也将解决一个长期存在的谜团，即为什么星系的质量总是与其中心的超大质量黑洞的质量成正比。

从未被直接观测到的暗物质被认为是宇宙中的大部分物质，并充当星系形成和发展的脚手架。另一方面，可以在大多数星系的中心找到的黑洞已被观测到。空间中物质如此紧密地压缩的一个点，它们会产生强烈的引力。

这项新研究由耶鲁大学天文学和物理学教授Priyamvada Natarajan和欧洲航天局（ESA）科学主任Günther Hasinger共同撰写，表明所谓的各种大小的原始黑洞占宇宙中的所有黑物质。

“不同大小的黑洞仍然是一个谜，”黑辛格解释说。”我们不明白超大质量黑洞怎么会在宇宙存在以来相对较短的时间内变得如此巨大。

他们的模型调整了霍金和物理学家伯纳德·卡尔（Bernard Carr）首先提出的理论，他们认为，在大爆炸后的前几分之一秒，宇宙密度的微小波动可能创造了一个起伏的景观，其中有”块状”区域，具有额外的质量。这些块状区域会坍缩成黑洞。

该理论没有获得科学支持，但Cappelluti，Natarajan和Hasinger认为，经过一些轻微的修改，它可能是有效的。他们的模型表明，第一批恒星和星系将在早期宇宙的黑洞周围形成。他们还提出，原始黑洞将有能力通过吞噬附近的气体和恒星，或与其他黑洞合并来成长为超大质量黑洞。

“原始黑洞，如果它们确实存在，很可能是所有超大质量黑洞形成的种子，包括银河系中心的黑洞，”Natarajan说。”我个人觉得这个想法非常令人兴奋的是，它如何优雅地统一了我研究的两个真正具有挑战性的问题 – 探索暗物质的本质以及黑洞的形成和生长 – 并一举解决它们。

原始黑洞也可能解决另一个宇宙学难题：与X射线辐射同步的过量红外辐射，这些辐射是从散射在宇宙周围的遥远而昏暗的来源中检测到的。该研究的作者表示，不断增长的原始黑洞将呈现”完全相同”的辐射特征。

而且，最重要的是，原始黑洞的存在可能会在不久的将来得到证实或反驳，这要归功于计划在今年年底前从法属圭亚那发射的韦伯望远镜和计划于2030年代进行的欧空局领导的激光干涉仪空间天线（LISA）任务。

韦伯由美国宇航局，欧空局和加拿大航天局开发，以接替哈勃太空望远镜，可以回顾超过130亿年。如果暗物质由原始黑洞组成，那么在早期宇宙中，它们周围会形成更多的恒星和星系，这正是宇宙时间机器能够看到的。

“如果第一批恒星和星系已经在所谓的’黑暗时代’形成，韦伯应该能够看到它们的证据，”哈辛格说。

与此同时，LISA将能够从原始黑洞的早期合并中获取引力波信号。

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