暗物质可以像普通物质一样，在引力作用下坍缩形成黑洞吗

暗物质是宇宙中最神秘的成分之一，它占据了宇宙中大部分的物质，但却从未被直接观测到。暗物质的存在只能通过它对可见物质的引力作用来推断，例如影响星系的形成和运动。暗物质究竟是由什么构成的？它是否能够像普通物质那样，在引力作用下坍缩形成黑洞？

黑洞是一种极端的天体，它的密度和引力场如此之大，以至于连光都无法逃逸。根据广义相对论，任何具有足够密度和质量的物体都可以形成黑洞。为了形成黑洞，一个天体的半径必须达到一个临界值，称为史瓦西半径，这个半径与天体的质量成正比。例如，太阳如果要变成黑洞，就必须压缩到 3 公里以下的大小。

那么，暗物质是否也可以通过类似的方式形成黑洞呢？它是否能够达到这样的密度呢？答案是不确定的。因为我们并不知道暗物质是由什么组成的，也不知道它们之间有没有除了引力以外的其他相互作用。目前最流行的假设是暗物质由大质量弱相互作用粒子（WIMPs）组成，这些粒子只能通过引力和弱核力与其他粒子交换信息。如果这个假设正确，那么暗物质就很难形成黑洞，这里有两个主要的原因。

第一个原因是 WIMPs 之间没有电磁相互作用，也就意味着它们不能通过辐射或者相互摩擦来释放多余的能量和角动量。而这些能量和角动量会使它们一直保持高轨道运动，不会向中心靠拢，密度也就不怎么会增加。另一个原因是 WIMPs 之间有弱相互作用，这就意味着当暗物质密度增加时，WIMPs 会发生衰变或者湮灭，并产生其他类型的粒子（比如中微子），从而降低了暗物质本身的密度。

因此，如果没有一种可以释放角动量和抵消弱核力效应的机制，暗物质永远无法达到产生事件视界所需的密度。当然，并不排除存在其他类型或者性质的暗物质粒子。

此外，黑洞的形成还有另外一种机制，它认为在宇宙诞生之初就形成了原始黑洞。原始黑洞是指在大爆炸后不久就形成的黑洞，而不是由恒星坍缩而成。早在 1970 年代，著名物理学家史蒂芬・霍金和伯纳德・卡尔就曾提出过这样一种理论：在大爆炸后的一瞬间，宇宙中密度分布并不均匀，有些地方比其他地方更“凹凸不平”，拥有更多的质量。这些“凹凸”区域会塌缩成为小型原始黑洞。

研究表明，如果绝大多数原始黑洞都“出生”时具有约 1.4 倍太阳质量大小 ，那么它们就可以解释所有暗物质了。这个模型有什么证据支持呢？目前还没有直接的观测数据，但是一些间接的线索可能暗示了原始黑洞和暗物质之间的联系。2016 年，美国宇航局的一位科学家发现，在宇宙中不同波长的背景辐射中，有一些异常的起伏。这些起伏可能是由原始黑洞造成的，而这些原始黑洞也正是构成暗物质的候选者之一。

另一个间接线索来自于引力波探测器 LIGO 和 Virgo 所观测到的黑洞合并事件。2015 年以来，LIGO 和 Virgo 已经探测到了数十个这样的事件，并且发现其中一些涉及到非常大质量（几十倍太阳质量）或非常小质量（几倍太阳质量）的黑洞。这些黑洞很难用传统方式来解释，因为恒星坍缩形成的黑洞通常不会超过 20 倍太阳质量，也不会低于 3 倍太阳质量。但如果它们是原始黑洞，那么就可以有任意大小，并且可以在早期宇宙中相遇并合并。

当然，这些线索都还不足以证明原始黑洞就是暗物质，也不能排除其他可能性。为了验证这个模型，我们需要更多更精确更全面的观测。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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