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太空中的“旅行者1号”

自1978年美国天文学家薇拉鲁宾首次通过旋转曲线提供了暗物质存在的证据以来，在过去的40年里，天文观测为暗物质的存在积累了丰富的证据。但是暗物质的性质还不清楚，但是黑洞作为暗物质的一个选项，虽然可能占很小的比例，但也没有被完全排除。

最近，在太空流浪了41年的旅行者1号无意中动摇了暗物质理论的一个大胆猜想，它是一个小黑洞的可能性大大降低。

“我从未想过我们能以任何方式为暗物质的研究做出贡献，”加州理工学院的太空科学家艾伦卡明斯说，他自1973年以来一直参与旅行者1号项目。“有这样的发现真是太好了。”

黑洞质量范围的推断

几十年来，天体物理学家一直认为，一些看不见的物质为维持星系的稳定提供了额外的引力。在暗物质发现之初，黑洞被认为是一个非常可能的候选者，引起了许多天文学家的兴趣。不过现在看来，黑洞完全是暗物质的说法可以完全排除了，但是少量暗物质由黑洞组成的说法还是可行的。

黑洞通常被认为是大质量恒星停止核燃烧，在自身重量作用下坍缩形成的致密天体。它的体积被认为是无限小的，但它的引力却是超强的。

但是用黑洞解释暗物质并不容易。在宇宙中，暗物质的重量是普通物质的6倍，不可能靠塌缩恒星产生这种不平衡的比例。

唯一的可能就是原来的黑洞。这种黑洞的形成方式与上方恒星坍缩形成的黑洞不同。在第一代星系和恒星形成之前，早期宇宙中物质的微小波动和坍缩可能形成所谓的初级黑洞。这样的原始黑洞几乎可以有任何质量，但如果不与天文观测冲突，其数量也不会过多。例如，一群质量比太阳大得多的黑洞会通过吊灯像炮弹一样击碎星系，而成群结队的小黑洞会通过所谓的引力透镜扭曲遥远恒星和星系的图像。

"这个观察结果只为原始黑洞留下了三个可能的质量范围."英国伦敦玛丽女王大学宇宙学家伯纳德卡尔(Bernard Carr)认为，它们的质量可能是太阳的1到10倍，或者大约是太阳的十亿分之一，或者不到太阳的十亿分之一。那些最小的黑洞只有原子核那么大。

然而，法国索邦大学的理论家马蒂厄布道(Mathieu Boudaud)和马尔科奇雷利(Marco Cirelli)在即将发表于《物理评论快报》的论文中指出，如果它们真的存在，“旅行者1号”应该能够探测到那些超小黑洞的特征辐射。黑洞之所以得名，是因为包括光在内的任何物质靠近后都无法逃逸。但在1973年，已故的霍金推断，即使如此，黑洞仍然可以发出一些光和粒子。

排除小黑洞的可能性。

根据量子力学，真空中存在粒子-反粒子对，在空间中来回穿梭。霍金意识到，如果一对粒子以适当的距离出现在黑洞附近，其中一个可能会落入黑洞，而另一个可能会以霍金辐射的形式飞走。黑洞越小，温度越高，辐射越大。

“如果存在大量质量非常小的黑洞，因为霍金的蒸发温度会非常高，从而释放出大量的正负电子对，那么在星际空间应该是可以观测到的。”中科院国家天文台研究员苟利军告诉《中国科学报》，但观测结果并没有证实这一点。

事实上，在2012年旅行者1号离开太阳系之前，它已经探测到一些微弱而持续的正负电子对的流动，这与旅行者1号离开太阳系后探测到的流动类似，并没有什么变化。Boudaud等人的计算结果表明，即使它们都来自微小的黑洞，也不会有足够多的黑洞占据银河系中超过1%的暗物质，银河系中的超新星遗迹足以产生这些观测到的流动。

卡尔认为，这项新研究几乎排除了低质量原始黑洞是暗物质的可能性。他一直倾向于认为黑洞的质量相当于几个太阳质量。“这种低质量的‘窗户’从来都不是我的最爱。如果目前的限制排除了这种可能性，我个人不会感到困扰。”

永无止境的探索之旅

但“旅行者1号”无法搜索质量更大的原始黑洞。更大的黑洞霍金温度并不高，也辐射不出像电子、正电子这样的大质量粒子。相反，它们只发出非常微弱的光，极难被探测到。所以黑洞是暗物质的概念还是存在的。

据齐立军介绍，我国深空探测器飞行实验阶段进展缓慢。目前，中国飞行时间最长的卫星“嫦娥二号”在完成绕月任务后正在向深空进发。但是，像旅行者1号这样飞出太阳系还是很难的。”技术要求高，资金要求高。在土星附近发射探测器需要花费数十亿美元。”他说。

然而，中国在暗物质的探索方面已经取得了很大的进步。2015年底，由中国科学院空间科学战略先导科技项目研制的首批暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射，在太空执行高能电子和高能伽马射线探测任务，寻找暗物质线索。2017年，科学家利用悟空收集的数据，获得了世界上最精确的高能电子宇宙线光谱。

“虽然到目前为止还没有探测到暗物质粒子，但是科学家们会用各种手段去尝试。”苟利军认为，科学家进行研究的动力之一是好奇心，揭开宇宙构成之谜是一个永无止境的探索之旅。

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