我们为啥找不到暗物质，因为他们可能藏在黑洞里

2016年2月11日，高级激光干涉引力波天文台发言人宣布引力波已经被发现。当然，我们希望aLIGO能给我们带来一些有趣的东西，但我们认为这只是暂时的。我们预计，在对几个月或几年的数据进行复杂而细致的分析后，这个项目将向我们展示一个微弱的信号，稍微把它的头伸出噪音之外。

然而，事实并非如此。在二月的那个重要的日子里，展示的图像如此清晰，我觉得它们并不令人信服。用我的肉眼，我可以看到两个大黑洞逐渐靠近并融合成一个。当它稳定下来，它会向周围的空间和时间发送引力波。

这不是唯一的事情。阿里戈看到的黑洞不应该在那里。我们知道，一些黑洞的质量是太阳的数百万或数万亿倍。我们也见过质量与太阳相似的小黑洞。然而，阿里戈看到的黑洞比太阳重30到60倍。我的一些同事现在声称，由aLIGO发现的这些中等大小的黑洞可能是我们近50年没有发现的暗物质。

这不是科学家第一次提出黑洞可能是暗物质，但是我们认为这种可能性已经被明确排除了。重新拾起这个想法实际上只是在新发现后激发丰富创造力的另一个例子。那些“失宠”的观点可以被重新普及，从一个新的角度来看，被热情地探索，在某些情况下会取代被接受的观点。这些修正后的发现还将结合看似非常不同的研究领域，如暗物质和引力波，以取得丰硕的成果。

20世纪70年代，斯蒂芬·霍金和他当时的研究生伯纳德·卡尔提出，从大爆炸后的混乱中，可能会出现许多微小的原始黑洞，占据空间。随着时间的推移，这些黑洞逐渐成长，并在此过程中为星系的形成提供种子。它们甚至可能对整个宇宙的能量预算有所贡献。黑洞非常巨大，难以观察，这是我们在寻找宇宙中缺失的物质时需要考虑的两个属性。

几十年来，一群坚定的支持者一直在推动这一观点。在20世纪90年代，他们似乎受到了致命的打击。大质量致密银晕物体(MACHO)实验“训练”了一架望远镜，当像黑洞这样的物体经过恒星前面时，可以观察到大麦哲伦星云中微弱的闪烁。他们发现很难找到足够的黑洞来弥补宇宙中所有的暗物质。

最近，普林斯顿大学高级研究所的蒂莫西·勃兰特研究了黑洞对致密星团的可能影响。这个密集的星团被称为球状星团，存在于隐藏在银河系周围的矮星系中。他的研究还表明，如果有太多的黑洞，这些球状星团将会升温、膨胀并迅速死亡。通过将一个特定球状星团的值代入矮星系Eridanus II，Brant证明了只有一小部分暗物质可能以黑洞的形式存在。因此，“黑洞是暗物质”已经成为理论家们喜欢提及的另一个奇怪的想法，但它似乎无法在自然界中成立。

对暗物质的研究集中在大质量弱相互作用粒子上。这些基本粒子是很早以前的遗留物，当时宇宙的基本力量是统一的，它们的行为与今天大不相同。我的许多同事认为WIMPS的发现是不可避免的。他们必须存在。大多数宇宙学家认为，只要我们建造足够大和足够强大的仪器，我们肯定会观察到这些奇怪的粒子。

否则这一切都不会发生。随着时间的推移，我们的探测器变得越来越大，越来越强，但它们可能什么也找不到。最近，美国南达科他州赖德的大型地下氙实验(LUX)仍未能提供任何轻质暗物质粒子的证据。探测器位于地下1480米处，使用半吨液态氙来寻找WIMPS撞击的痕迹。LUX背后的建设者之一、布朗大学的Richard Gaitskell说:“如果提高灵敏度能带来清晰的暗物质信号，那将是非常了不起的。然而，我们观察到的只是与背景相一致。”

考虑到在WIMPS探测中遇到的困难，似乎有必要重新检查一些早先被放弃的观点。最近两篇论文的作者是约翰·霍普金斯大学的西蒙·伯德和京都大学基础物理研究所的佐佐木节。

受到阿利戈发现的刺激，他们研究了质量是太阳几十倍的黑洞是暗物质的可能性。银河系中可能有100亿个这样的黑洞，最近的一个可能在几光年之外。这些黑洞中的一些将接近形成“双黑洞”，其中的一些双黑洞可能被aLIGO探测到。两个研究小组都认为，aLIGO每年应该能够检测到几十起这样的事件。它们将比由恒星坍缩等普通方法形成的黑洞有更多的优势。换句话说，如果这些黑洞是银河系中的暗物质，那么我们就应该用aLIGO发现它们。我们做到了。

细节决定成败。最初的黑洞是什么样子的问题仍然没有解决。一种观点认为它们是在早期宇宙的短暂膨胀期(称为“膨胀”)产生的。膨胀过程中的湍流和颤动会将能量聚集成密集的团块，从而为黑洞的形成提供种子。为了让我们探测到它们，这些黑洞需要在足够近的距离聚集在一起，然后合并产生引力波。如何以及何时发生这种情况将取决于银河系的形状、黑洞质量的紧密程度以及黑洞移动的速度。合理的假设似乎给出了一个有希望的答案，但这些仍然是假设。

这些正是阿里戈发现后研究领域兴奋的表现。任何事情都可能发生。MACHO实验和球状星团的观测结果违背了他们的假设，但一些巧妙的假设可能解决观测带来的问题。

阿里戈的发现让我想起了我职业生涯中目睹的另一次转变。1991年，宇宙背景探测(COBE)卫星首次测量到宇宙微波背景辐射的“波纹”，这是大爆炸留下的辐射。追逐这些涟漪的过程令人沮丧，似乎不现实，但它已经持续了超过25年，几乎把宇宙学带入了一个停滞的水池。宇宙学本身似乎很难理解，也很难有一个明确的结论。这是一个模糊的主题，尽管它能带来极大的满足感和创造力。然而，这些“涟漪”最终被发现，并为宇宙学注入了许多充满活力的思想，不仅在天文学中，在粒子物理学中也是如此。

几十年来，直到现在，我们一直试图联系自然的基本规律，这些规律主导着早期宇宙中星系的诞生和演化，并最终形成了我们现在看到的大规模结构。尽管COBE卫星的发现让我走上了当前的研究道路，但我可以清楚地看到，在新一代物理学家寻找暗物质的过程中，阿里戈也在做着同样的事情。