[비즈한국] 眾所周知，暗物質佔據了宇宙質量的絕大部分，比例接近80%。比起由常規原子構成的我們的身體、行星和恆星，它們的數量要多得多。事實上，與其說宇宙是閃閃發光的恆星世界，不如說它是一個暗物質的世界，這並不誇張。然而令人苦惱的是，沒人知道這些佔據宇宙主流的暗物質究竟是什麼。
暗物質不會發光，所以無論用望遠鏡如何觀察宇宙都是徒勞的。透過感測光線的傳統觀測方式無法確認其存在。它唯一能做的，就是憑藉自身的質量彰顯引力。因此，像幽靈一樣的暗物質，只能透過它們留下的引力痕跡來推斷其存在。
思考暗物質“不發光但擁有強大引力”的性質時，會突然讓人聯想到另一個存在——黑洞。黑洞引力極強，甚至連光都無法逃脫，從而在時空中穿透出一個洞。長期以來，許多人猜測，為了解釋宇宙引力不足而登場的暗物質，其神秘身份或許正是潛伏在宇宙黑暗深處的大小黑洞。
我們熟悉的黑洞主要有兩種：一種是質量為太陽數十倍的恆星在演化終結並坍縮後留下的恆星級黑洞；另一種是生活在銀河系中心、質量達到太陽數百萬至數十億倍的超大質量黑洞。
然而，宇宙中可能還隱藏著一種更特殊的黑洞，即大爆炸後宇宙史上最早誕生的“原始黑洞”。原始黑洞的質量可能比太陽輕得多，甚至可能輕到只有地球質量大小，或者僅僅相當於一顆小行星的質量。雖然單個質量很輕，但如果有大量原始黑洞充斥在宇宙空間及我們銀河系周圍的暈（Halo）空間中，是否就能解釋銀河系那些無法說明的過度質量？會不會暗物質這種幽靈，其實就是這些原始黑洞的陰影呢？
最近，關於這一偉大問題的答案出爐了。為了找到答案，研究人員利用了長達20年的海量觀測結果。經過20年的漫長等待，確認的結果如何呢？令人遺憾的是，銀河系周圍的暈中並不存在原始黑洞。那些希望暗物質身份是原始黑洞的天文學家的夢想破滅了。
原始黑洞作為物理學家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出的概念而聞名。與通常由大恆星坍縮形成的黑洞不同，原始黑洞誕生的方式完全不同。在大爆炸之後，宇宙從太初起就並非絕對均勻，某些區域的密度比周圍稍微高一點或低一點。以密度稍高的區域為中心，周圍的物質開始一點點聚集。高密度區域變得更加緻密，而低密度區域則因物質被四面八方掠奪而變得更加空曠。透過這一過程，形成了如今像網一樣交織著星系分佈的巨大宇宙大尺度結構。
這種太初存在的微小密度差異成為了孕育星系的種子。同時，密度更高的區域隨著物質迅速向狹窄空間聚集，可能直接凝聚成了小型的迷你黑洞。不同於經過數億年演化後因恆星死亡而留下的普通黑洞，原始黑洞是在很久以前大爆炸後，宇宙中可能最早出現的一種想象中的存在。
這樣誕生的原始黑洞中，一部分可能在早期互相碰撞融合，合併成了銀河系中心的超大質量黑洞。但仍可能有絕大多數原始黑洞在宇宙空間中游蕩。如果銀河系周圍的暈空間裡也遊蕩著無數原始黑洞呢？我們是否誤把原始黑洞產生的引力效應當作了暗物質的效應？為了確認暗物質是否真的是遊蕩在暈中的原始黑洞碎片，必須計算出銀河系暈中究竟有多少個流浪黑洞。
問題在於，黑洞是不發光的黑暗存在。那麼，該如何察覺它們的存在呢？
黑洞憑藉強大的引力彎曲周圍的宇宙時空。因此，黑洞背後的背景宇宙光線會向不同的方向彎曲並射向地球，從而產生“引力透鏡”現象。當我們居住的地球、遙遠的背景天體，以及中間那個以巨大引力扭曲周圍時空的天體幾乎排成一條直線時，背景天體的光線就會發生最強烈的扭曲。
引力透鏡可以簡單透過酒杯來理解。想象一下，將一個酒杯放在詹姆斯·韋伯望遠鏡觀測到的遙遠背景宇宙照片上。酒杯底部並非完全平坦，越靠近中心玻璃越厚。因此，酒杯底下的照片看起來會發生圓形的扭曲。如果你在照片上緩慢移動酒杯，照片裡的天體也會隨之慢慢扭曲。現實宇宙中發生的引力透鏡與之類似。當作為透鏡的天體經過我們從地球觀測的背景宇宙視野前方時，我們看到背後的光線就會呈現出扭曲的虛像。
特別是當作為透鏡的天體更小、更輕時，可以觀察到一種更特殊的現象。以透鏡天體為中心，向多個方向彎曲飛出的背景星光會再次匯聚向地球。此時在地球上看來，背景恆星會比實際看起來更亮、被放大。這種現象被稱為“微引力透鏡”（Microlensing）。因此，透過不停地監測銀河系暈後的背景恆星，確認背景恆星出現明亮放大現象的頻率，就能掌握有多少原始黑洞在暈中游蕩，以及各自的質量有多大。
但這有個問題。微引力透鏡完全是偶然發生的，無法預測。必須有一個天體剛好從背景恆星前方几乎成直線經過，遮擋住光線。此外，如果因為在別處分心而錯過了，觀測機會也就飛走了！而且必須進行長期的持續監測，才能不錯過並找到原始黑洞。
當質量相當於太陽的較輕天體作為透鏡時，背景恆星變亮的現象持續時間大約在一週左右。如果質量是太陽100倍的較重天體讓背景恆星彎曲，背景恆星則會經歷數年時間緩慢變亮，然後再恢復原狀。因此，為了嚴謹驗證這類重型原始黑洞是否存在，必須在數年以上的時間裡，不間斷地盯著夜空，捕捉背景恆星短暫變亮又變暗的放大現象！
為此，天文學家正在進行一項名為OGLE（光學引力透鏡實驗，Optical Gravitational Lensing Experiment）的大型觀測專案，不懈地等待並監測銀河系內發生的微引力透鏡現象。為了捕捉可能遊蕩在銀河系暈空間中的原始黑洞引起的微引力透鏡，本次分析了對環繞銀河系的衛星星系之一——大麥哲倫星雲方向天空的觀測結果。
如果原始黑洞在大麥哲倫星雲與地球之間、銀河系暈空間中偶然經過，可能會產生因黑洞導致大麥哲倫星雲中的星光短暫變亮的微引力透鏡現象。為了不錯過由較重天體引起的、持續數年的微引力透鏡現象，天文學家分析了從2001年到2020年長達20年的海量觀測資料。期間，OGLE持續監測了大麥哲倫星雲中近8000萬顆恆星的亮度變化。
如果佔據銀河系暈質量大部分的暗物質真的是原始黑洞，那麼在20年間微引力透鏡現象應該非常頻繁地被觀測到。例如，如果銀河系暈中的原始黑洞全部是太陽質量10倍左右的黑洞，在整個觀測期間，大麥哲倫星雲方向的天空中應該能觀測到258次微引力透鏡現象。假設這些流浪原始黑洞是太陽質量100倍級別的黑洞，至少應該看到99次；如果是1000倍級別，至少應該看到27次。那麼，這20年來海量觀測的實際結果如何呢？
結果令人沮喪。20年來，OGLE巡天專案在大麥哲倫星雲方向的天空中捕捉到的微引力透鏡現象總共只有12次。而且，透過分析背景恆星被放大的亮度來計算透鏡天體的質量發現，這12次全部是由我們已知存在的銀河系內恆星引起的簡單微引力透鏡現象。也就是說，沒有確認到任何一起由遊蕩在暈空間的原始黑洞引起的微引力透鏡現象。斯蒂芬·霍金預測的暈中原始黑洞並未被發現。
即便把過去20年觀測確認到的所有引發微引力透鏡的高密度天體加在一起，也無法填滿銀河系暈的總質量。即使把質量在太陽質量1.8 × 10−4倍到6.3倍之間的天體全部加起來，也僅佔填補銀河系暈質量所需暗物質質量的1%。即便包含更廣的範圍，把質量在太陽質量1.3 × 10−5倍到860倍之間的天體都算上，也只能填補銀河系暈中暗物質總質量的10%左右。事實上，原始黑洞根本無法達到銀河系暗物質的目標總量。作為暗物質身份最強有力的候選者之一，原始黑洞現在已經從名單中消失了。
如果此次觀測能揭示暗物質的大部分質量由原始黑洞構成，暗物質的謎團或許會更容易解開。雖然“黑洞”這一頑固的謎題仍會存在，但至少可能得出一個更平和的結論：暗物質並非什麼神秘物質，僅僅是因為質量太輕而難以尋找的黑洞碎片而已。然而，此次觀測結果顯示連這種平和的結局都無法期待，指向了一個讓物理學家們最感到困惑的結局：暗物質可能由我們尚未掌握的、神秘粒子構成的全新物質。
參考
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07704-6
作者池雄培（Ji Woong-bae）是誰？熱愛貓和宇宙。小時候看了《銀河鐵道999》後，立志要讓更多人瞭解宇宙之美。目前在延世大學銀河系演化研究中心及近宇宙論研究室，研究透過星系相互作用進行的演化，同時進行講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《曖昧的觀測臺》、《整天思考宇宙》、《星，光的科學》等書籍。