燃烧的黑洞

( 哈佛大学天文学系主任亚伯拉罕·罗布教授 )

“黑洞”不仅是一个宇宙学名词，它在流行文化中也已经具有了独特的意象，一种安静、冷酷，吞噬一切敢于接近它的物质的危险物体。黑洞的存在形式和具体性质至今仍然是宇宙学研究的一个谜团，但是一些宇宙学家也在希望通过黑洞来解决宇宙学中更为重要的一个难题——暗物质之谜，这就涉及黑洞的种类、性质，以及一种仅存在于理论中的宇宙奇观。

宇宙学家们认为，目前在宇宙中主要存在两种黑洞：一种是由死亡的恒星在燃烧殆尽之际因为自身的引力发生塌缩而形成的黑洞，这类黑洞的质量大概在几十个太阳的质量范围内（太阳由于质量不够，在死亡之后则不会成为一个黑洞，而是塌缩为一颗白矮星）；而另一种黑洞的形成原因虽然还不清楚，也广泛存在于宇宙中，它们大多居于大型星系的中心，利用自身的巨大质量成为整个星系的主宰，吸引住星系的物质，维持整个星系的形态。这种超巨型黑洞的质量大概相当于300亿个太阳的质量。

除了这两种黑洞外，是否可能还存在第三种黑洞？史蒂芬·霍金在1971年就曾经提出设想，宇宙中可能还存在一种“太初黑洞”，这种黑洞是在宇宙大爆发后很短的时间内产生的，因此它们的年龄与宇宙的年龄相当。这些黑洞有可能已经度过了100多亿年的时间，因为蒸发的作用，不停地向外辐射，因此，很多太初黑洞已经蒸发消失，但可能还会有一些尚存于宇宙中。

自从霍金提出了太初黑洞的设想，宇宙学家们就没有停止过寻找这种奇特的黑洞，因为如果它们真的存在，从这些黑洞的性质中人们很可能可以探索到宇宙大爆炸早期的宇宙性质。哈佛大学天文学系主任亚伯拉罕·罗布（Abraham Loeb）与他的合作者——里斯本科技大学的物理学家保罗·帕尼（Paolo Pani）对于这种仅仅在理论上存在的黑洞寄予了更多的希望，他们希望通过寻找到这种黑洞来解决暗物质的本质之谜。自从暗物质在20世纪30年代被发现，它的本质就一直困扰着宇宙学家。科学家们使用各种暗物质探测器都收效甚微，目前大多数物理学家都坚信暗物质是由一种人们目前尚未认识到的暗物质粒子组成的。罗布则希望可以独辟蹊径，通过对太初黑洞的研究解决暗物质之谜。他认为，人类很有可能已经认识了宇宙中所有的基本粒子，这些粒子的性质也都已经被标准模型所描述，很有可能并不存在所谓的暗物质粒子。对于质量为普通物质的5倍多的暗物质，则可能是由那些至今尚未被发现的太初黑洞组成。

太初黑洞如果真的存在，它们的体积和质量也会相对较小。经过了130多亿年的蒸发，这些黑洞的质量大概会介于月亮和木星的质量之间。罗布与帕尼认为，有可能正是这些体积很小的微型太初黑洞，构成了宇宙中84%以上的质量，它们才是暗物质的真实身份。

( 里斯本科技大学天体物理学家保罗·帕尼 )

问题在于，如何证明太初黑洞的大量存在？罗布和帕尼希望可以通过发现一种目前仅仅在理论中存在的宇宙学奇观——黑洞炸弹，来证明太初黑洞的存在。黑洞炸弹的概念早在20世纪70年代就被人提出，在1972年，加州理工学院的物理学家威廉·普雷斯（William Press）和索尔·图科斯基（Saul Teukolsky）在《自然》杂志上发表论文《浮动轨道，超辐射散射与黑洞炸弹》（Floating Orbits，Superradiant Scattering and the Black-hole Bomb），探讨宇宙中的黑洞由于自转可能形成的一种宇宙学奇观。黑洞由于自身的强大引力，会吸收接近它的物质，但是在理论上，一个黑洞如果自旋的速度足够快，经过这个黑洞附近的光线，只要波长足够大，就不会被黑洞所吞噬，相反，则会被黑洞所散射。同样在理论上，如果在黑洞的周围布满镜子，这些被散射的光线就可能被反射回黑洞的方向，之后再被黑洞所散射……这个过程反复发生，黑洞自转的能量逐渐转移到在黑洞和镜子之间往返的光线中，这个过程与激光产生的原理基本相同。这时，当被黑洞的能量所驱动的光线脱离黑洞以及周围镜子的束缚挣脱出来，就如同黑洞忽然爆发出极强的光和热，相当于一个“黑洞炸弹”。

黑洞炸弹究竟是物理学家的狂想，还是一种真正可能发生的宇宙学现象？如何在一个黑洞的周围布满“镜子”？在理论上，黑洞的周围可能会聚集着电子等离子体（Electron Plasma），它自身有一个振荡频率，当这个振荡频率高于光子的频率，它就可以对光线起到反射作用，相当于黑洞周围的镜子。也就是说，黑洞炸弹，起码在理论上是有可能发生的，而且在理论上，这种现象也有可能被观测到。如果在宇宙中某处的黑洞发生“爆炸”，这种现象将会加热黑洞的周围，这也必将在宇宙微波背景辐射中留下痕迹。

罗布和帕尼希望在各种宇宙学观测中找到黑洞炸弹曾经发生的痕迹，可是在美国国家航空航天局（NASA）的宇宙背景微波辐射数据中并没有任何关于黑洞炸弹曾经出现的痕迹。在2013年，NASA通过开普勒太空望远镜进行的另一项调查，也否定了在一定质量范围内存在太初黑洞的可能性。原始黑洞存在的范围一再被缩小，但是罗布和帕尼认为，还有可能存在一种极小型黑洞，这种黑洞如果大量存在的话，仍然可能占据宇宙中大部分的质量。在理论上，这种极小型的黑洞在接近中子星时，虽然自身微小，却仍有可能摧毁一个中子星，因此，对于宇宙中暗物质聚集处的中子星的观测，有可能给出太初黑洞存在的证据。但是可惜的是，对于这些中子星的观测，再一次与他们的预测相反，没有任何太初黑洞存在的证据。至此，留给太初黑洞的质量范围越来越小，这种黑洞真正存在的可能性也就越来越小。2014年1月13日，罗布和帕尼继续合作，在网上发表了他们最新论文的预印本《排除太初黑洞作为暗物质主要成分的剩余质量范围》（Exclusion of the Remaining Mass Window For Primordial Black Holes as the Dominant Constituent of Dark Matter），这篇论文承认，根据对中子星的观测，太初黑洞不可能是暗物质的主要构成成分。

罗布与帕尼对于太初黑洞的探索，似乎并没有取得成果，但是这并不代表他们的失败，起码现在人们知道了暗物质不可能由什么组成。在科学研究中，发现一条走不通的路同样重要，黑洞的性质对于人类来说可能在很长的一段时间内仍然是一个谜，“燃烧”的或是“爆炸”的黑洞，也许只存在于理论和科幻中。但是这种对于神秘宇宙的大胆幻想，也正是刺激人类不断追求的动力。

（本文写作参考了《新科学家》杂志和《自然》杂志的相关报道）

（文 / 文      苗千） 燃烧黑洞暗物质存在形式科学天文宇宙学暗物质中子星