研究人員將量子場論套用於早期宇宙，預測的原始黑洞比其他模型所暗示的要少，這可能會影響暗物質理論。
量子場論揭示了預測眾多原始黑洞的模型的潛在缺陷，表明存在較少的原始黑洞，這可能會影響暗物質理論和宇宙結構。
研究人員已經將通常用於研究非常小的量子場論套用了廣為人知且高度驗證的量子場論，以達到一個新的目標，即早期宇宙。他們的探索得出的結論是，微型黑洞的數量應該比大多數模型所暗示的要少得多，盡管確認這一點的觀測應該很快就會成為可能。所討論的特定類別的黑洞可能是暗物質的競爭者。
這項研究最近發表在 【物理評論快報 】上，由東京大學早期宇宙研究中心（RESCEU）和Kavli宇宙物理與數學研究所（Kavli IPMU，WPI）的研究人員進行。
了解宇宙的起源
探索宇宙可能會讓人不知所措，所以讓我們確保我們都在同一頁面上。盡管細節模糊不清，但物理學家的普遍共識是，宇宙大約有138億年的歷史，始於一次爆炸，在稱為暴脹的時期迅速膨脹，沿著這條線的某個地方從同質到包含細節和結構。
宇宙的大部份是空的，但盡管如此，它似乎比我們所能看到的要重得多——我們稱這種差異為暗物質，沒有人知道它可能是什麽，但有證據表明它可能是黑洞，特別是老洞。
卑微的開端。該研究發現，在小尺度上產生的大振幅波動如何放大在宇宙微波背景中觀察到的大尺度波動。圖片來源：© 2024 ESA/Planck Collaboration，由 Jason Kristiano 修改 CC-BY-ND
原始黑洞和暗物質
「我們稱它們為原始黑洞（PBH），許多研究人員認為它們是暗物質的有力候選者，但需要大量的黑洞才能滿足這一理論，」研究生Jason Kristiano說。
「由於其他原因，它們也很有趣，因為自從最近重力波天文學的創新以來，已經發現了雙黑洞合並，這可以解釋為PBH是否大量存在。但是，盡管有這些強有力的理由來證明它們的預期豐度，但我們還沒有直接看到任何理由，現在我們有一個模型可以解釋為什麽會這樣。
當前PBH模型的挑戰
基斯坦奴和他的導師橫山淳一教授（現任Kavli IPMU和RESCEU主任）廣泛探索了PBH形成的各種模型，但發現主要競爭者與宇宙微波背景（CMB）的實際觀測不一致，這有點像大爆炸留下的指紋爆炸標誌著宇宙的開始。如果某些東西與可靠的觀察不一致，它要麽不可能是真實的，要麽充其量只能描繪出一幅畫的一部份。
在這種情況下，該團隊使用了一種新穎的方法來糾正宇宙膨脹中PBH形成的主要模型，使其更好地與當前的觀測結果保持一致，並且可以透過世界各地地面重力波天文台即將到來的觀測結果進一步驗證。
宇宙暴脹的理論見解
「一開始，宇宙非常小，比單個原子的大小小得多。宇宙暴脹迅速擴大了25個數量級。當時，穿過這個微小空間的波可能具有相對較大的振幅，但波長非常短。我們發現，這些微小但強烈的波可以轉化為我們在目前的CMB中看到的更長波的莫名其妙的放大，「橫山說。
「我們相信這是由於這些早期短波之間偶爾出現相幹性的情況，這可以用量子場論來解釋，量子場論是我們用來描述光子或電子等日常現象的最強大的理論。雖然單個短波相對無能為力，但相幹群將有能力重塑比自身大得多的波。這是一個罕見的例子，在一個極端尺度上，一個理論似乎可以解釋尺度另一端的事物。
PBH作為暗物質的意義
如果像基斯坦奴和橫山所建議的那樣，宇宙中早期的小尺度漲落確實影響了我們在CMB中看到的一些更大規模的漲落，那麽它可能會改變宇宙中粗略結構的標準解釋。但是，鑒於我們可以使用CMB中波長的測量來有效地限制早期宇宙中相應波長的範圍，它必然會限制任何其他可能依賴於這些更短，更強波長的現象。這就是PBHs回來的地方。
「人們普遍認為，早期宇宙中短而強的波長塌縮是產生原始黑洞的原因，」基斯坦奴說。「我們的研究表明，如果PBH確實是暗物質或重力波事件的有力候選者，那麽PBH應該比所需的PBH少得多。
持續觀察和未來見解
在撰寫本文時，世界上的重力波天文台，美國的LIGO，意大利的Virgo和日本的KAGRA，正在執行一項觀測任務，旨在觀測第一個小黑洞，可能是PBH。無論如何，這些結果應該為團隊提供堅實的證據，幫助他們進一步完善他們的理論。
