原始黑洞(PBH)是在宇宙大爆炸後形成的天體，被許多研究人員認為是解釋暗物質本質的主要候選者之一，尤其是在2016年處女座和LIGO探測器直接觀測到引力波之後。現在發表在《物理評論快報》上這項研究的主要作者里卡多·穆爾賈(Riccardo Murgia)說：我們已經測試了一種場景，其中暗物質由原始宇宙中形成的非恆星黑洞組成。這項研究是與SISSA-國際高級研究學院和INFN-Istituto Nazionale di Fisica Nucleare的Giulio Scelfo和Matteo Viel以及CERN的Alvise Raccanelli一起進行。

歐洲核子研究中心（CERN）的Raccanelli說：原始黑洞目前仍然是假設的天體，但它們是在原始宇宙的一些模型中所設想。最初由史蒂芬·霍金於1971年提出，近年來它們又重新成為解釋暗物質的可能候選者。人們相信暗物質約占宇宙中所有物質的80%，所以即使只解釋其中的一小部分也是一項重大成就。尋找原始黑洞存在的證據，或排除它們的存在，也為我們提供了關於原始宇宙物理學的相當相關的信息。

宇宙森林和宇宙網

在這項研究中，科學家們專注於原始黑洞的丰度，這些原始黑洞質量是太陽的50倍。簡而言之，研究人員試圖通過分析極遠類星體發出的光與宇宙網的相互作用，更好地描述與它們存在相關的幾個參數(特別是質量和丰度)，宇宙網是由存在於整個宇宙中的氣體和暗物質組成的長絲網絡。在這種密集的編織中，學者們專注於所謂的萊曼-阿爾法森林，即光子與宇宙長絲中氫的相互作用，這種相互作用呈現出與暗物質基本性質密切相關的特徵。

使用SISSA和ICTP尤利西斯超級計算機進行的模擬已經能夠再現光子和氫之間的相互作用。這些模型已經與夏威夷凱克望遠鏡探測到的真實相互作用進行了比較。研究人員隨後能夠追蹤原始黑洞的幾種性質，以了解它們存在的影響。用計算機模擬了亞星系尺度上中性氫的分布，以遠距離源光譜中吸收線的形式表現出來。將模擬結果與觀察到的數據進行比較，有可能確定原始黑洞的質量和丰度界限，並確定這些候選者是否構成暗物質以及在何種程度上構成暗物質。

這項研究的結果似乎不利於這樣一種情況，即所有的暗物質都是由某種類型的原始黑洞(質量大於太陽50倍的黑洞)組成，但它們並沒有完全排除它們可能構成它的一小部分。研究開發了一種新方法，可以輕鬆有效地探索標準宇宙學模型的替代方案，根據該方案，暗物質將由弱相互作用的大質量粒子(WIMP)組成。這些結果對於構建新的理論模型和發展關於暗物質本質的新假設非常重要，為追蹤理解宇宙最大奧秘之一的複雜路徑提供了更精確指示。

博科園｜研究/來自：國際高等研究學院（SISSA）

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.071102

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