黑洞与黑暗的启示：引力波为暗物质的组成提供了新的线索

LIGO和处女座引力波探测器发现了一群巨大的黑洞，它们的起源是现代天文学中最大的谜团之一。

根据一种假设，这些物体可能在宇宙早期形成，并可能构成暗物质，一种充满宇宙的神秘物质。一组科学家宣布了近20年的观测结果，表明这种巨大的黑洞可能最多只占暗物质的百分之几。因此，引力波的来源需要另一种解释。

这项研究的结果发表在《自然》杂志和《天体物理学杂志增刊》系列的两篇文章中。这项研究是由华沙大学天文台OGLE（光学引力透镜实验）调查的科学家进行的。

了解宇宙暗物质的组成

各种天文观测表明，我们能看到或触摸到的普通物质只占宇宙总质量和能量预算的5%。在银河系中，恒星中每一磅普通物质对应15磅“暗物质”，暗物质不发射任何光，只通过引力相互作用。

“暗物质的本质仍然是个谜。大多数科学家认为它是由未知的基本粒子组成的，”华沙大学天文台的普热梅克·玛索斯（Przemek Mróz）博士说，他是这两篇文章的主要作者。“不幸的是，尽管几十年的努力，没有任何实验（包括大型强子对撞机进行的实验）发现可能导致暗物质的新粒子。”

原始黑洞的神秘和潜力

自从2015年首次探测到一对黑洞合并产生的引力波以来，LIGO和处女座的实验已经探测到90多次这样的事件。天文学家注意到，LIGO和室女座探测到的黑洞通常比之前在银河系中已知的黑洞（5-20太阳质量）要大得多（20-100太阳质量）。

“解释为什么这两类黑洞如此不同是现代天文学最大的谜团之一，”玛索斯博士说。

一种可能的解释是，LIGO和处女座探测器发现了一群可能形成于宇宙早期的原始黑洞。它们的存在是在50多年前由著名的英国理论物理学家斯蒂芬·霍金和苏联物理学家雅科夫·泽尔多维奇独立提出的。

玛索斯博士说：“我们知道，早期的宇宙并不是理想的均匀的 —— 微小的密度波动产生了现在的星系和星系团。类似的密度波动，如果超过临界密度对比，可能会坍缩并形成黑洞。”

自从第一次探测到引力波以来，越来越多的科学家一直在推测，这种原始黑洞可能包含了暗物质的很大一部分，如果不是全部的话。

用微透镜技术探索暗物质

幸运的是，这个假设可以通过天文观测得到证实。我们观察到银河系中存在着大量的暗物质。如果它是由黑洞组成的，我们应该能够在我们的宇宙邻居中探测到它们。考虑到黑洞不发射任何可探测的光，这可能吗？

根据爱因斯坦的广义相对论，光在大质量物体的引力场中可能会弯曲和偏转，这种现象被称为引力微透镜。

OGLE调查的首席研究员安杰伊·乌达尔斯基（Andrzej Udalski）教授说：“当三个物体 —— 地球上的观察者，光源和透镜 —— 在太空中几乎理想地对齐时，就会发生微透镜。在微透镜事件中，光源的光可能会被偏转和放大，我们观察到光源的光暂时变亮。”

增亮的持续时间取决于透镜物体的质量：质量越高，事件持续时间越长。太阳质量的物体产生的微透镜效应通常会持续数周，而质量比太阳大100倍的黑洞产生的微透镜效应则会持续数年。

利用引力微透镜来研究暗物质的想法并不新鲜。它最早是在20世纪80年代由著名的波兰天体物理学家玻丹·帕琴斯基（Bohdan Paczyński）提出的。他的想法激发了三个主要实验的开始：波兰的OGLE，美国的MACHO和法国的EROS。这些实验的第一个结果表明，质量小于一个太阳质量的黑洞可能只包含不到10%的暗物质。然而，这些观测结果对极长时间尺度的微透镜事件不敏感，因此对大质量黑洞不敏感，类似于最近用引力波探测器探测到的黑洞。

OGLE的长期观察研究

在天体物理学杂志增刊系列的新文章中，OGLE天文学家展示了近20年来对附近星系（称为大麦哲伦星云）中近8000万颗恒星的光度监测结果，以及对引力微透镜事件的搜索。所分析的数据是在OGLE项目的第三和第四阶段从2001年到2020年收集的。

乌达尔斯基教授说：“这个数据集提供了现代天文学史上对大麦哲伦星云中恒星的最长、最大和最准确的光度观测。”

暗物质最新发现的意义

第二篇文章发表在《自然》杂志上，讨论了这些发现的天体物理学后果。

玛索斯博士说：“如果整个银河系的暗物质都是由10个太阳质量的黑洞组成的，我们应该探测到258个微透镜事件。对于100个太阳质量的黑洞，我们预计会发生99次微透镜事件。对于1000个太阳质量的黑洞 —— 27个微透镜事件。”

相比之下，OGLE天文学家只发现了13个微透镜事件。他们的详细分析表明，所有这些都可以用银河系或大麦哲伦星云中已知的恒星群来解释，而不是用黑洞来解释。

“这表明大质量黑洞最多只能构成百分之几的暗物质，”玛索斯博士说。

详细的计算表明，10个太阳质量的黑洞可能最多包含1.2%的暗物质，100个太阳质量的黑洞占暗物质的3.0%，1000个太阳质量的黑洞占暗物质的11%。

“我们的观察表明，原始黑洞不可能构成暗物质的很大一部分，同时，这也解释了LIGO和Virgo观测到的黑洞合并率，”乌达尔斯基教授说。

因此，对于LIGO和处女座探测到的大质量黑洞，需要其他解释。根据一种假设，它们是大质量、低金属丰度恒星演化的产物。另一种可能性是在密集的恒星环境中合并质量较小的物体，比如球状星团。

“我们的研究结果将在未来几十年留在天文学教科书中，”乌达尔斯基教授补充道。

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