Primordial black holes from a type-IIB/F theory inflaton potential

在宇宙诞生之初的最早时刻，即开始后的极短瞬间，空间本身经历了一段难以想象的扩张时期，被称为宇宙暴胀。这种快速的拉伸平滑了宇宙，并为我们今天所见的一切——从星系到恒星——播下了种子。然而，暴胀理论也表明，在特定的、罕见的条件下，宇宙可能会产生微小的、致密的物质团块，并立即坍缩成黑洞。这些被称为原初黑洞。与由垂死恒星形成的黑洞不同，它们诞生于早期宇宙的原始能量。几十年来，科学家们一直在思考这些物体是否存在，以及它们是否可以构成维持星系运转的不可见“暗物质”。挑战在于寻找一种物理机制，能够在不违反我们当前物理学理解规则的前提下，创造出足够数量的这类黑洞。

来自印度伯德万大学的一个研究小组通过使用弦理论（一种领先的“万物理论”候选者）中的特定框架，对这一问题进行了全新的审视。他们专注于一个被称为“暴胀子势能”（inflaton potential）的数学景观，该势能描述了驱动宇宙最初扩张的能量场。在他们的模型中，他们从一个能够成功解释我们今天观测到的平滑且大规模宇宙结构的场版本出发。在这一既定模型的基础上，他们引入了一个极小的、局部的扰动。想象一下，一个平滑的山坡上突然出现了一个微小而平缓的凸起。用研究人员的话说，这个凸起是通过轻微改变定义弦理论隐藏维度的基本几何形状之一而产生的。这种微小的变化并非随机的调整；它是为了测试当宇宙平滑的暴胀遇到暂时的、局部的减速时会如何表现。

当驱动暴胀的场滚过这个凸起时，它并不会加速或完全停止，而是比平时显著地减慢。研究人员称之为“超慢滚”（ultra-slow-roll）阶段。在这短暂的停顿期间，宇宙中的量子涨落（通常是微小且无害的）会被剧烈放大。这就像是奔腾的河流中出现了瞬间的停顿，使得一个小涟漪成长为巨大的波浪。在他们的模拟中，这种放大导致某些区域的物质密度激增，达到了远高于平均水平的程度。当宇宙继续扩张，且这些致密区域最终重新进入可观测视界时，其中的引力变得如此强大，以至于它们瞬间坍缩成了黑洞。

该研究精确地计算了这些假设黑洞的属性。他们发现，这一过程产生的黑洞质量大约相当于地球或木星，其尺寸远小于由恒星形成的黑洞。这些天体在天文学尺度上是非常轻量级的，但其质量又足以让它们在漫长岁月中幸存至今。研究人员确定，这些黑洞蒸发所需的时间长得令人难以置信，远超当前宇宙的年龄。这意味着，如果按照他们模型所建议的数量被创造出来，它们至今仍会存在，并可能为渗透在宇宙中的暗物质做出贡献。

然而，这些物体的存在并非没有约束。该团队根据现实世界的观测结果检查了他们的结论，特别是观察了微引力透镜调查的数据。这些调查通过搜索由于经过物体的引力导致的遥远恒星的暂时变亮现象来进行研究。研究人员发现，为了使他们的模型与我们在天空中观察到的现象保持一致，原初涨落的密度必须保持在特定的阈值之下。如果涨落稍强，由此产生的黑洞丰度就会过高，从而与未观测到微引力透镜事件的事实相矛盾。他们的计算表明，虽然这些黑洞可能存在，但它们仅占总暗物质的极小部分，大约为 0.12%，而非暗物质的唯一解释。

除了黑洞本身之外，这项研究还指出了一种未来测试这些想法的潜在途径。创造这些黑洞的剧烈过程也会产生被称为引力波的时空涟漪。研究人员指出，这些引力波的特定频率落在平方公里阵列（Square Kilometer Array）的灵敏度范围内，这是一个目前正在开发的巨型射电望远镜项目。这表明，未来的观测要么能探测到这些波，为这些原初黑洞的存在提供强有力的证据，要么能彻底排除这种特定的机制。这项工作提供了一条具体的路径，将对这些难以捉摸之物的搜寻从纯理论领域推向了可观测科学的领域。