研究人員將通常用於研究極小物體的廣為理解和高度驗證的量子場論應用到了一個新的目標–早期宇宙。他們的探索得出的結論是，微型黑洞的數量應該比大多數模型所顯示的要少得多，不過很快就可以透過觀測來證實這一點。這種特定的黑洞可能是暗物質的競爭者。

這項研究由東京大學早期宇宙研究中心（RESCEU）和卡弗里宇宙物理與數學研究所（Kavli IPMU，世界知識產權組織）的研究人員進行，最近發表在《物理評論快報》上。

探索宇宙可能會讓人不知所措，所以讓我們確保大家都在同一起跑線上。儘管細節還很模糊，但物理學家們普遍認為，宇宙大約有138 億年的歷史，始於”砰”的一聲巨響，在一個被稱為”暴脹”的時期迅速膨脹，並在某一階段從單一變得包含細節和結構。

宇宙的大部分是空的，但儘管如此，它似乎比我們所能看到的要重得多–我們稱這種差異為暗物質，沒有人知道這可能是什麼，但有證據表明，它可能是黑洞，特別是古老的黑洞。

研究發現，小尺度上產生的大振幅波動如何放大了宇宙微波背景中觀測到的大尺度波動。圖片來源：© 2024 ESA/Planck Collaboration，由Jason Kristiano CC-BY-ND 修改

研究生傑森-克里斯蒂亞諾（Jason Kristiano）說：”我們稱它們為原始黑洞（PBH），許多研究人員認為它們是暗物質的有力候選者，但需要有大量的原始黑洞才能滿足這一理論。由於其他原因，它們也很有趣，因為自從最近引力波天文學創新以來，已經發現了雙黑洞合併的現象，如果PBH大量存在，就可以解釋這種現象。預期豐度，我們卻沒有直接看到過，現在我們有了一個模型，應該可以解釋為什麼會出現這種情況。

克里斯提亞諾和他的導師、現任卡弗里IPMU 和RESCEU 主任的橫山純一教授對PBH 形成的各種模型進行了廣泛的探索，但發現主要的競爭者與宇宙微波背景（CMB）的實際觀測結果不一致，而微波背景就像是宇宙大爆炸留下的指紋，標誌著宇宙的開始。如果與實際觀測結果不符，那麼它要么不可能是真的，要么充其量只能描繪出部分畫面。

在這種情況下，研究小組採用了一種新穎的方法來修正宇宙膨脹形成PBH 的主要模型，使其與目前的觀測結果更加吻合，並可透過世界各地地面重力波觀測站即將進行的觀測進一步驗證。

“起初，宇宙小得令人難以置信，遠小於一個原子的大小。宇宙膨脹迅速將其擴大了25 個數量級。當時，穿過這個微小空間的波可能具有相對較大的振幅，但波長很短。 “橫山說：”我們的發現是，這些微小但強烈的波可以轉化為我們在目前的CMB 中看到的更長波的莫名放大。

「我們認為，這是由於這些早期短波之間偶爾出現了相干現象，這可以用量子場論來解釋，量子場論是我們用來描述光子或電子等日常現象的最可靠理論。雖然單一短波相對來說沒有力量，但相干的短波群卻有能力重塑比它們大得多的短波。

如果正如克里斯蒂安諾和橫山所說，宇宙早期的小尺度波動影響了我們在CMB中看到的一些大尺度波動，那麼這可能會改變對宇宙粗大結構的標準解釋。但同時，鑑於我們可以利用對CMB 中波長的測量來有效地約束早期宇宙中相應波長的範圍，它必然會約束任何可能依賴這些較短、較強波長的其他現象。這就是PBH的作用所在。

克里斯蒂亞諾說：人們普遍認為，早期宇宙中短而強的波長坍縮是產生原始黑洞的原因。我們的研究表明，如果PBH確實是暗物質或重力波事件的有力候選者，那麼PBH的數量應該遠遠少於所需的數量。

在撰寫本文時，世界上的重力波天文台–美國的LIGO、義大利的Virgo 和日本的KAGRA正在進行一項觀測任務，目的是觀測第一個小黑洞，很可能是PBH。無論如何，這些結果能為研究小組提供確切的證據，幫助他們進一步完善自己的理論。

參考資料

DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.221003

DOI: 10.1103/PhysRevD.109.103541

編譯來源：ScitechDaily