上一篇文章《霍金一生都在寻找它——能让霍金获得诺贝尔奖的神秘天体》介绍了原初黑洞这个有望可以证明霍金辐射的神秘天体，它可能是宇宙大爆炸后第一秒由于密度波动而坍缩形成的致密天体，虽然这是它最早被提出时就赋予的使命，但是在天文观测中却迟迟没有现身。然而在近年，在依然没有足够证据证明其存在的情况下，它又被赋予了更多的使命，其中之一就是解释暗物质之谜。

21世纪宇宙学天空的两朵乌云——暗物质和暗能量

在上世纪，天文学里有两个谜题，其中一个是星系的光度质量与实际质量不符从而产生的引力异常，科学家认为可能存在一些不可见的物质，称之为暗物质；另一个则是通过对光谱红移量测算的距离与Ia型超新星光度测算的距离间的异常，发现宇宙的膨胀在约50-60亿年前从减速转为加速，由于这种情况过于诡异，科学家把这个加速宇宙膨胀的未知“能量”称为暗能量。这两个20世纪发现的两大宇宙谜题直到新世纪依然没有解决，因此称为21世纪宇宙学天空的两朵乌云。

而我这篇文章所要讨论的是暗物质之谜：

暗物质是如何发现的

暗物质最早在远方星系的光度质量和引力质量的差异中发现，光度质量是通过可见天体的光度来判断星系的总质量，理论上这种判断应该是可靠的，因为星系中很大一部分质量都集中在发光恒星里，比如我们的太阳系，太阳的质量就占了整个恒星系总质量的99.86%。但天文学家发现某些星系的光度质量与其通过引力透镜所测量到的质量之间存在较大的差异，这意味着这些星系内可能存在大量的不可见物质，另一方面在研究星系（包括银河系）外围恒星公转速度发现，星系外围的恒星公转速度高于理论值，根据星系内围恒星公转速度的变化曲线，外围不应该出现如此高的公转速度，由此，一种不可见物质被提出了，我们现在把它称为暗物质。

原初黑洞有望解开星系质量消失之谜——暗物质候选体

目前科学家提出一些理论修正和暗物质候选体模型来解释这种现象，其中暗物质候选体主要有两类，一类是不参与电磁相互作用和强相互作用的弱相互作用粒子，另一类是由于体积过小难以探测的致密天体。

在致密天体里，包括白矮星、中子星、黑洞这些主要都是通过恒星演化到末期形成的，因此它们的数量是可以根据恒星演化模型来推算，而科学家发现在排除了这些恒星末期坍缩形成的致密天体后，暗物质依然没有得到完全的解释。而非恒星演化的原初黑洞自然很早就成为暗物质的候选者之一。但根据观测结果通过微引力透镜（稍后介绍）和霍金辐射理论的推算，可能存在的原初黑洞的质量也远不够暗物质所需质量。

不过近年的一项发现让原初黑洞再度成为暗物质的强有力候选体——引力波的探测。

合并的双黑洞来自于原初黑洞？

从2015年9月14日LIGO探测到首例双黑洞合并引力波以来，LIGO已经确认了十数例的双黑洞引力波事件了，还有更多由于置信度较低而无法确认的引力波信号，基于这些被探测到的双黑洞合并引力波信号出现的频率，LIGO做出了一个黑洞数量的预测，黑洞似乎比之前预测的更多，但与此同时，它又远低于原初黑洞该有的检出频率。

但最近有科学家指出，假如LIGO说检测到的所有双黑洞合并引力波信号均是由原初黑洞产生，那么它也许就能符合理论预期的原初黑洞合并频率，这样，宇宙初期产生的大量原初黑洞将能提供暗物质所需的引力。由于原初黑洞可以拥有不同的质量，更小的质量的双黑洞合并由于引力波信号会相对微弱，需要在较近距离才能观测到，意味着可探测范围的缩小，这就能解释为何我们至今没有探测到小于1个太阳质量的双黑洞合并信号。

天文观测对原初黑洞存在形式的限制

虽然原初黑洞的存在可能并没有被排除，但也依然没有足够证据证明它可能存在，除非有一天我们能探测到一个远小于恒星级黑洞质量下限的黑洞。但随着各种观测方式的高灵敏度探测，原初黑洞存在的空间在一步步被压缩。

比如前面说的微引力透镜，它是通过持续监测远方恒星的亮度变化，假如有黑洞从其前方经过，由于微小的引力透镜效应，黑洞会充当放大镜的作用放大背后的星光，从而使被监测恒星产生短暂的亮度变化。但这样的微引力透镜监测已经持续了将近30年，依然一无所获，这就排除了原初黑洞大量并均匀地分布在星系内。

另一个限制来自于上一篇文章提到的伽马射线源的探测，这限制了微型黑洞的密度……

基于这些观测限制所给出的限制，虽然目前原初黑洞的存在和作为暗物质候选体并未被排除，但我们对它的分布和大小已经被严格限制。就目前所知，根据伽马射线源检测结果，质量小于10^13kg的原初黑洞可以作为暗物质候选体，但其在暗物质里的占比仅为1%左右，5×10^14kg到10^17kg范围内的原初黑洞不可能是暗物质的主要来源。

在更大的质量范围内的原初黑洞，由于霍金辐射极其微弱且波长较长，伽马射线则无能为力，但科学家依然可以通过微引力透镜对其限制，目前根据微引力透镜观测结果，10^23kg到10^31kg范围内的原初黑洞不可能是暗物质的主要来源。

未解之谜

这些限制主要集中在小质量原初黑洞上，但正如前文所说的，如果这些原初黑洞主要集中在恒星级黑洞的质量以上，那么由于质量集中，它的分布密度将会大大降低，被探测将更加困难。这样，正如前面所说的，假如LIGO给出的双黑洞全是来自于原初黑洞，那么原初黑洞就足够构成所有暗物质。问题是，所有双黑洞合并都是原初黑洞的话，那恒星坍缩产生的黑洞去哪了？谜题依然未解，暗物质之谜依然有待科学去探索。