暗物质就是黑洞吗?

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Credit: SXS Lensing

(按:本文略加修改发表于《知识分子》2018年7月2日号。如需转载,请联系《知识分子》。)

天文学观测在近百年间为暗物质的存在积累了丰富证据,然而,暗物质的本质仍晦暗不明。尽管物理学家提出了多种新的基本粒子解释暗物质的构成,但暗物质还有可能是黑洞。若是如此,暗物质黑洞又从何而来?我们又如何确认或排除暗物质黑洞的存在?科学家正使出重重招数,搜寻暗物质黑洞的蛛丝马迹。这场遍及全宇宙的大搜捕,正在紧张进行中。

法国数学家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)在1799年的一篇文章中设想了一种极端致密的天体,它们具有足以束缚光线的引力。我们无法直接看到它,犹如一颗“暗星”。在牛顿力学和光速有限的基础上,拉普拉斯用这一条简单的理论推断,勾画出了黑洞概念的雏型。

40多年后,德国数学家贝塞尔(Friedrich Bessel)试图用发光过于暗弱而无法观测的恒星来解释可见恒星的自行(proper motion)。他据此进一步推断,宇宙中可能存在无数的“暗星”,因为“质量并没有发光的本性”。这同样源自牛顿力学的理论推断,则为暗物质的概念埋下伏笔。

在牛顿力学的视野内,“暗星”的存在并不难意料。可是,脱胎于此的黑洞与暗物质,却在近百年间为我们带来了无尽困惑。过去数十年,对宇宙微波背景辐射和大尺度结构的测量使科学家逐渐意识到,暗物质的确存在,但不是普通的天体。构成它的基本单元甚至不是我们已知的任何一种基本粒子。因此,暗物质如今不再是单纯的天文学问题,而成为基础物理学的一个核心疑难。真可谓入之愈深,其见愈奇。
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