新模型旨在解释早期宇宙中缺乏微型黑洞的原因

东京大学早期宇宙研究中心(RESCEU)和卡夫利宇宙物理与数学研究所(Kavli IPMU，WPI)的研究人员将通常用于研究极小物体的、易于理解和高度验证的量子场论应用到早期宇宙这个​​新目标上。

他们的探索得出的结论是，微型黑洞的数量应该比大多数模型所预测的要少得多，不过很快就能通过观察来证实这一点。所讨论的特定类型的黑洞可能是暗物质的竞争者。他们的研究成果已发表在《物理评论快报》和《物理评论 D》上。

研究宇宙是一件令人望而生畏的事情，所以让我们确保大家意见一致。尽管细节尚不明确，但物理学家们普遍认为宇宙大约有 138 亿年的历史，始于一次爆炸，在一段称为膨胀的时期内迅速膨胀，并在某个时候从同质状态转变为包含细节和结构。

宇宙的大部分是空的，但尽管如此，它似乎比我们所能解释的要重得多——我们把这种差异称为暗物质，没有人知道它是什么，但越来越多的证据表明它可能是黑洞，特别是古老的黑洞。

研究生杰森·克里斯蒂亚诺说： “我们称之为原始黑洞(PBH)，许多研究人员认为它们是暗物质的有力候选者，但需要有大量这样的黑洞才能满足该理论。”

“它们之所以有趣还有其他原因，因为自从引力波天文学最近取得创新以来，人们已经发现了双黑洞合并，如果 PBH 大量存在，这就可以得到解释。但是尽管有这些强有力的理由可以证明它们的数量，但我们还没有直接看到过，现在我们有一个模型可以解释为什么会出现这种情况。”

克里斯蒂亚诺和他的导师、现任 Kavli IPMU 和 RESCEU 主任的 Jun'ichi Yokoyama 教授广泛探索了 PBH 形成的各种模型，但发现领先的竞争者与宇宙微波背景 (CMB) 的实际观测结果不一致，CMB 有点像标志着宇宙起源的大爆炸留下的指纹。如果某件事与可靠的观察结果不一致，那么它要么不是真的，要么最多只能描绘出一幅图景的一部分。

在这种情况下，研究小组采用了一种新方法来修正宇宙膨胀中 PBH 形成的主要模型，以便它更好地与当前的观测相一致，并可以通过世界各地陆地引力波观测站即将进行的观测得到进一步验证。

“起初，宇宙非常小，比单个原子小得多。宇宙膨胀迅速将宇宙扩大了 25 个数量级。那时，穿过这个微小空间的波可能具有相对较大的振幅，但波长非常短。我们发现，这些微小但强大的波可以转化为我们在当前 CMB 中看到的更长波的无法解释的放大，”横山说。

“我们认为这是由于这些早期短波之间偶尔出现的相干性，这可以用量子场论来解释，量子场论是我们用来描述光子或电子等日常现象的最可靠的理论。虽然单个短波相对无能为力，但相干群体却有能力重塑比自身大得多的波。这是一个罕见的例子，一个极端尺度上的理论似乎可以解释另一个极端上的理论。”

如果如克里斯蒂亚诺和横山所言，宇宙早期的小尺度波动确实会影响我们在 CMB 中看到的一些大尺度波动，那么它可能会改变宇宙粗糙结构的标准解释。但同时，鉴于我们可以使用 CMB 波长的测量来有效地限制早期宇宙中相应波长的范围，它必然会限制任何其他可能依赖于这些更短、更强波长的现象。这就是 PBH 再次发挥作用的地方。

“人们普遍认为，早期宇宙中短而强的波长的坍缩是形成原始黑洞的原因，”克里斯蒂亚诺说。“我们的研究表明，如果 PBH 确实是暗物质或引力波事件的有力候选者，那么 PBH 的数量应该远远少于所需的数量。”

在撰写本文时，世界上的引力波天文台，美国的 LIGO、意大利的 Virgo 和日本的 KAGRA，正在进行一项观测任务，旨在观测第一批小黑洞，可能是 PBH。无论如何，结果应该为团队提供确凿的证据，帮助他们进一步完善他们的理论。

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