研究人员将量子场论应用于早期宇宙，预测的原始黑洞比其他模型所暗示的要少，这可能会影响暗物质理论。
量子场论揭示了预测众多原始黑洞的模型的潜在缺陷，表明存在较少的原始黑洞，这可能会影响暗物质理论和宇宙结构。
研究人员已经将通常用于研究非常小的量子场论应用了广为人知且高度验证的量子场论，以达到一个新的目标，即早期宇宙。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暗示的要少得多，尽管确认这一点的观测应该很快就会成为可能。所讨论的特定类型的黑洞可能是暗物质的竞争者。
这项研究最近发表在 【物理评论快报 】上，由东京大学早期宇宙研究中心（RESCEU）和Kavli宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU，WPI）的研究人员进行。
了解宇宙的起源
探索宇宙可能会让人不知所措，所以让我们确保我们都在同一页面上。尽管细节模糊不清，但物理学家的普遍共识是，宇宙大约有138亿年的历史，始于一次爆炸，在称为暴胀的时期迅速膨胀，沿着这条线的某个地方从同质到包含细节和结构。
宇宙的大部分是空的，但尽管如此，它似乎比我们所能看到的要重得多——我们称这种差异为暗物质，没有人知道它可能是什么，但有证据表明它可能是黑洞，特别是老洞。
卑微的开端。该研究发现，在小尺度上产生的大幅度波动如何放大在宇宙微波背景中观察到的大尺度波动。图片来源：© 2024 ESA/Planck Collaboration，由 Jason Kristiano 修改 CC-BY-ND
原始黑洞和暗物质
「我们称它们为原始黑洞（PBH），许多研究人员认为它们是暗物质的有力候选者，但需要大量的黑洞才能满足这一理论，」研究生Jason Kristiano说。
「由于其他原因，它们也很有趣，因为自从最近引力波天文学的创新以来，已经发现了双黑洞合并，这可以解释为PBH是否大量存在。但是，尽管有这些强有力的理由来证明它们的预期丰度，但我们还没有直接看到任何理由，现在我们有一个模型可以解释为什么会这样。
当前PBH模型的挑战
克里斯蒂亚诺和他的导师横山淳一教授（现任Kavli IPMU和RESCEU主任）广泛探索了PBH形成的各种模型，但发现主要竞争者与宇宙微波背景（CMB）的实际观测不一致，这有点像大爆炸留下的指纹爆炸标志着宇宙的开始。如果某些东西与可靠的观察不一致，它要么不可能是真实的，要么充其量只能描绘出一幅画的一部分。
在这种情况下，该团队使用了一种新颖的方法来纠正宇宙膨胀中PBH形成的主要模型，使其更好地与当前的观测结果保持一致，并且可以通过世界各地地面引力波天文台即将到来的观测结果进一步验证。
宇宙暴胀的理论见解
「一开始，宇宙非常小，比单个原子的大小小得多。宇宙暴胀迅速扩大了25个数量级。当时，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，这些微小但强烈的波可以转化为我们在目前的CMB中看到的更长波的莫名其妙的放大，「横山说。
「我们相信这是由于这些早期短波之间偶尔出现相干性的情况，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强大的理论。虽然单个短波相对无能为力，但相干群将有能力重塑比自身大得多的波。这是一个罕见的例子，在一个极端尺度上，一个理论似乎可以解释尺度另一端的事物。
PBH作为暗物质的意义
如果像克里斯蒂亚诺和横山所建议的那样，宇宙中早期的小尺度涨落确实影响了我们在CMB中看到的一些更大规模的涨落，那么它可能会改变宇宙中粗略结构的标准解释。但是，鉴于我们可以使用CMB中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PBHs回来的地方。
「人们普遍认为，早期宇宙中短而强的波长坍缩是产生原始黑洞的原因，」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应该比所需的PBH少得多。
持续观察和未来见解
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，正在执行一项观测任务，旨在观测第一个小黑洞，可能是PBH。无论如何，这些结果应该为团队提供坚实的证据，帮助他们进一步完善他们的理论。
