[비즈한국] 众所周知，暗物质占据了宇宙质量的绝大部分，比例接近80%。比起由常规原子构成的我们的身体、行星和恒星，它们的数量要多得多。事实上，与其说宇宙是闪闪发光的恒星世界，不如说它是一个暗物质的世界，这并不夸张。然而令人苦恼的是，没人知道这些占据宇宙主流的暗物质究竟是什么。
暗物质不会发光，所以无论用望远镜如何观察宇宙都是徒劳的。通过感测光线的传统观测方式无法确认其存在。它唯一能做的，就是凭借自身的质量彰显引力。因此，像幽灵一样的暗物质，只能通过它们留下的引力痕迹来推断其存在。
思考暗物质“不发光但拥有强大引力”的性质时，会突然让人联想到另一个存在——黑洞。黑洞引力极强，甚至连光都无法逃脱，从而在时空中穿透出一个洞。长期以来，许多人猜测，为了解释宇宙引力不足而登场的暗物质，其神秘身份或许正是潜伏在宇宙黑暗深处的大小黑洞。
我们熟悉的黑洞主要有两种：一种是质量为太阳数十倍的恒星在演化终结并坍缩后留下的恒星级黑洞；另一种是生活在银河系中心、质量达到太阳数百万至数十亿倍的超大质量黑洞。
然而，宇宙中可能还隐藏着一种更特殊的黑洞，即大爆炸后宇宙史上最早诞生的“原始黑洞”。原始黑洞的质量可能比太阳轻得多，甚至可能轻到只有地球质量大小，或者仅仅相当于一颗小行星的质量。虽然单个质量很轻，但如果有大量原始黑洞充斥在宇宙空间及我们银河系周围的晕（Halo）空间中，是否就能解释银河系那些无法说明的过度质量？会不会暗物质这种幽灵，其实就是这些原始黑洞的阴影呢？
最近，关于这一伟大问题的答案出炉了。为了找到答案，研究人员利用了长达20年的海量观测结果。经过20年的漫长等待，确认的结果如何呢？令人遗憾的是，银河系周围的晕中并不存在原始黑洞。那些希望暗物质身份是原始黑洞的天文学家的梦想破灭了。
原始黑洞作为物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出的概念而闻名。与通常由大恒星坍缩形成的黑洞不同，原始黑洞诞生的方式完全不同。在大爆炸之后，宇宙从太初起就并非绝对均匀，某些区域的密度比周围稍微高一点或低一点。以密度稍高的区域为中心，周围的物质开始一点点聚集。高密度区域变得更加致密，而低密度区域则因物质被四面八方掠夺而变得更加空旷。通过这一过程，形成了如今像网一样交织着星系分布的巨大宇宙大尺度结构。
这种太初存在的微小密度差异成为了孕育星系的种子。同时，密度更高的区域随着物质迅速向狭窄空间聚集，可能直接凝聚成了小型的迷你黑洞。不同于经过数亿年演化后因恒星死亡而留下的普通黑洞，原始黑洞是在很久以前大爆炸后，宇宙中可能最早出现的一种想象中的存在。
这样诞生的原始黑洞中，一部分可能在早期互相碰撞融合，合并成了银河系中心的超大质量黑洞。但仍可能有绝大多数原始黑洞在宇宙空间中游荡。如果银河系周围的晕空间里也游荡着无数原始黑洞呢？我们是否误把原始黑洞产生的引力效应当作了暗物质的效应？为了确认暗物质是否真的是游荡在晕中的原始黑洞碎片，必须计算出银河系晕中究竟有多少个流浪黑洞。
问题在于，黑洞是不发光的黑暗存在。那么，该如何察觉它们的存在呢？
黑洞凭借强大的引力弯曲周围的宇宙时空。因此，黑洞背后的背景宇宙光线会向不同的方向弯曲并射向地球，从而产生“引力透镜”现象。当我们居住的地球、遥远的背景天体，以及中间那个以巨大引力扭曲周围时空的天体几乎排成一条直线时，背景天体的光线就会发生最强烈的扭曲。
引力透镜可以简单通过酒杯来理解。想象一下，将一个酒杯放在詹姆斯·韦伯望远镜观测到的遥远背景宇宙照片上。酒杯底部并非完全平坦，越靠近中心玻璃越厚。因此，酒杯底下的照片看起来会发生圆形的扭曲。如果你在照片上缓慢移动酒杯，照片里的天体也会随之慢慢扭曲。现实宇宙中发生的引力透镜与之类似。当作为透镜的天体经过我们从地球观测的背景宇宙视野前方时，我们看到背后的光线就会呈现出扭曲的虚像。
特别是当作为透镜的天体更小、更轻时，可以观察到一种更特殊的现象。以透镜天体为中心，向多个方向弯曲飞出的背景星光会再次汇聚向地球。此时在地球上看来，背景恒星会比实际看起来更亮、被放大。这种现象被称为“微引力透镜”（Microlensing）。因此，通过不停地监测银河系晕后的背景恒星，确认背景恒星出现明亮放大现象的频率，就能掌握有多少原始黑洞在晕中游荡，以及各自的质量有多大。
但这有个问题。微引力透镜完全是偶然发生的，无法预测。必须有一个天体刚好从背景恒星前方几乎成直线经过，遮挡住光线。此外，如果因为在别处分心而错过了，观测机会也就飞走了！而且必须进行长期的持续监测，才能不错过并找到原始黑洞。
当质量相当于太阳的较轻天体作为透镜时，背景恒星变亮的现象持续时间大约在一周左右。如果质量是太阳100倍的较重天体让背景恒星弯曲，背景恒星则会经历数年时间缓慢变亮，然后再恢复原状。因此，为了严谨验证这类重型原始黑洞是否存在，必须在数年以上的时间里，不间断地盯着夜空，捕捉背景恒星短暂变亮又变暗的放大现象！
为此，天文学家正在进行一项名为OGLE（光学引力透镜实验，Optical Gravitational Lensing Experiment）的大型观测项目，不懈地等待并监测银河系内发生的微引力透镜现象。为了捕捉可能游荡在银河系晕空间中的原始黑洞引起的微引力透镜，本次分析了对环绕银河系的卫星星系之一——大麦哲伦星云方向天空的观测结果。
如果原始黑洞在大麦哲伦星云与地球之间、银河系晕空间中偶然经过，可能会产生因黑洞导致大麦哲伦星云中的星光短暂变亮的微引力透镜现象。为了不错过由较重天体引起的、持续数年的微引力透镜现象，天文学家分析了从2001年到2020年长达20年的海量观测数据。期间，OGLE持续监测了大麦哲伦星云中近8000万颗恒星的亮度变化。
如果占据银河系晕质量大部分的暗物质真的是原始黑洞，那么在20年间微引力透镜现象应该非常频繁地被观测到。例如，如果银河系晕中的原始黑洞全部是太阳质量10倍左右的黑洞，在整个观测期间，大麦哲伦星云方向的天空中应该能观测到258次微引力透镜现象。假设这些流浪原始黑洞是太阳质量100倍级别的黑洞，至少应该看到99次；如果是1000倍级别，至少应该看到27次。那么，这20年来海量观测的实际结果如何呢？
结果令人沮丧。20年来，OGLE巡天项目在大麦哲伦星云方向的天空中捕捉到的微引力透镜现象总共只有12次。而且，通过分析背景恒星被放大的亮度来计算透镜天体的质量发现，这12次全部是由我们已知存在的银河系内恒星引起的简单微引力透镜现象。也就是说，没有确认到任何一起由游荡在晕空间的原始黑洞引起的微引力透镜现象。斯蒂芬·霍金预测的晕中原始黑洞并未被发现。
即便把过去20年观测确认到的所有引发微引力透镜的高密度天体加在一起，也无法填满银河系晕的总质量。即使把质量在太阳质量1.8 × 10−4倍到6.3倍之间的天体全部加起来，也仅占填补银河系晕质量所需暗物质质量的1%。即便包含更广的范围，把质量在太阳质量1.3 × 10−5倍到860倍之间的天体都算上，也只能填补银河系晕中暗物质总质量的10%左右。事实上，原始黑洞根本无法达到银河系暗物质的目标总量。作为暗物质身份最强有力的候选者之一，原始黑洞现在已经从名单中消失了。
如果此次观测能揭示暗物质的大部分质量由原始黑洞构成，暗物质的谜团或许会更容易解开。虽然“黑洞”这一顽固的谜题仍会存在，但至少可能得出一个更平和的结论：暗物质并非什么神秘物质，仅仅是因为质量太轻而难以寻找的黑洞碎片而已。然而，此次观测结果显示连这种平和的结局都无法期待，指向了一个让物理学家们最感到困惑的结局：暗物质可能由我们尚未掌握的、神秘粒子构成的全新物质。
参考
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07704-6
作者池雄培（Ji Woong-bae）是谁？热爱猫和宇宙。小时候看了《银河铁道999》后，立志要让更多人了解宇宙之美。目前在延世大学银河系演化研究中心及近宇宙论研究室，研究通过星系相互作用进行的演化，同时进行讲座、写作等多种科学传播活动。著有《暧昧的观测台》、《整天思考宇宙》、《星，光的科学》等书籍。