暗物质的构成及排除原始黑洞说法的科学发现

暗物质是宇宙中一种神秘的物质，占据着宇宙总质量的大约27％，但其性质至今仍然不明。最近，科学家们利用哈勃空间望远镜进行了一系列观测，排除了暗物质可能由原始黑洞组成的说法。他们发现，在远离星系的区域，暗物质的分布模式并不符合原始黑洞的预期结果。这一发现为科学家们提供了关于暗物质构成的新线索，同时也挑战了之前的假设。科学家们对暗物质的性质依然存在争议，但这样的研究有望帮助我们更好地理解宇宙的构成和演化，为解开暗物质之谜提供了新的方向。

50多年来，科学家们一直认为宇宙中大约85%的物质是由一种神秘的、看不见的物质组成的。从那时起，许多观测活动间接地见证了这种“暗物质”对宇宙的影响。不幸的是，迄今为止所有探测它的尝试都失败了，这使得科学家们提出了一些关于它的性质的非常有趣的理论。

已故伟大的斯蒂芬·霍金在1974年首次提出了这样一个理论，他认为，大多数暗物质实际上可能是直径小于0.1毫米的原始黑洞(PBH)。但是，在对这一理论进行了迄今为止最严格的测试之后，由卡弗里宇宙物理与数学研究所(IPMU)领导的一个国际科学家团队证实了这一说法：现在我们知道暗物质不是原始黑洞，霍金的这个理论是错的。

该团队由新仓广子(Hiroko Niikura)领导，他是卡维里IPMU的博士生，成员包括来自日本、印度和美国的研究人员，由于暗物质研究缺乏成果，这促使他们考虑霍金的理论。

这张图展示了引力透镜的工作原理。一个大星系团的引力是如此之强，它会弯曲、变亮并扭曲它后面遥远星系的光。这一理论假定大部分暗物质是由大爆炸后不久形成的原始黑洞(PBH)组成的。而霍金的预测是，如果早期宇宙中存在小块密度过大的区域，这些区域就会形成黑洞，因为黑洞是看不见的，只能通过引力与其他粒子相互作用，一旦黑洞形成，它们的行为就会像暗物质一样。

这个理论很有吸引力，因为它不依赖于任何外来粒子的存在，虽然迄今尚未发现。更重要的是，在霍金提出这个想法后不久，天体物理学家发现，宇宙膨胀可能会在早期宇宙中由于量子涨落而产生密度过大的斑块，这可能导致黑洞的产生。但是，后来科学家对霍金的这理论产生了质疑。

于是研究小组利用夏威夷莫纳克亚天文台的斯巴鲁望远镜对这一理论进行了验证，该望远镜用于观测邻近的仙女座星系，仙女座星系距离地球约254万光年。与我们宇宙邻居中的大多数星系不同，仙女座星系只是以110千米/秒的速度接近我们星系的大约100个星系之一，而且注定要与银河系相撞。这些因素使它成为检验霍金理论的最佳人选：

仙女座星系是银河系附近最大的星系，内有许多恒星。例如，仙女座星云比麦哲伦星云要大得多，麦哲伦星云是矮星系。因此，如果我们能同时观察仙女座星系中的恒星，我们就能发现恒星的微透镜现象，也就是恒星亮度的闪烁，这是由于前景中的黑洞正从恒星前方经过。

如果霍金的理论是正确的，仙女座和我们星系之间的空间将充满PBHs。这将导致引力透镜效应，所有这些小黑洞的引力将导致来自仙女座星系的光线弯曲并放大。

这种效应最早由爱因斯坦和他的广义相对论在19预测到，天文学家们已经多次利用它们和地球之间存在的巨大物体来观测遥远的物体。然而，发生这种事件的机会是罕见的，需要在观察者、远处的物体和中间的物体之间建立一种偶然的一致性。

为了最大限度地捕捉某一事件，研究小组使用了斯巴鲁望远镜的超级suprim - cam数码相机，这款相机能够在一次拍摄中捕捉到仙女座星系的全部图像。他们还拍摄了该星系的多张照片，以确保捕捉到来自仙女座星系恒星的短暂闪光。

艺术家的概念图显示了两个正在合并的黑洞。

这些闪烁表明一个原始的黑洞正从他们面前经过，从而扭曲和放大了他们的光。

来自日本的高田教授解释说：“如果暗物质是PBH，而不是像WIMPs（弱相互作用大质量粒子）这样的基本粒子，那么它可能会经过仙女座星系的一颗恒星，并引发微透镜现象，其亮度的闪烁会随着观测时间而变化。恒星亮度变化的时间尺度依赖于黑洞的质量和速度。如果PBH是暗物质，我们就能很好地理解它的速度：它应该在星际空间以200公里/秒的速度运动，就像我们的银河系或仙女座星系的旋转曲线所显示的那样。”

总的来说，研究小组在7个小时的时间里连续拍摄了190张仙女座菌株的图片，并对它们进行了仔细检查，以寻找可能发生事件的迹象。考虑到原始黑洞的预期质量，预计至少有1000个事件。然而，研究小组只发现了一个事件的证据，这表明原始黑洞只占暗物质质量的0.1%。因此暗物质是原始黑洞的说法显然是错的。

话虽如此，这个可能发生的事件(持续了大约一个小时)是一个重大的发现，因为它正是天文学家所期望的轻质量PBH。正如高田所指出的，这可能是由宇宙膨胀引起的黑洞存在的间接证据。与此同时，它可能是恒星变异性(即恒星耀斑)的证据，因此在任何事情都能确定之前，还需要更多的观测。

“简而言之，我们的结果不能完全排除PBH -暗物质的假设，因此暗物质可能是一种未知的基本粒子，比如弱相互作用大质量粒子(WIMP)，”高田教授总结道。“在这种情况下，我们希望地下实验或大型强子对撞机等加速器实验能发现这样的暗物质粒子。”

与此同时，对难以捉摸的暗物质的探索仍在继续！就像首次探测到引力波一样，这一发现将引发天文学领域的一场革命。正如高田所说：“这将是一个新奇的发现！”