一个不寻常的引力波信号重燃了希望：长期以来被认为仅存于理论的原初黑洞，可能终于有望被发现。如果得到证实，它们或许能通过解释暗物质的本质，从而解开天文学最大的谜团之一。
原初黑洞被认为形成于大爆炸后最初的几分之一秒内，远早于第一批恒星或星系的存在。与由恒星坍缩形成的黑洞不同，这些假设的天体尺寸范围涵盖从小行星般大小到更大的天体。
尽管从未证实过原初黑洞的存在，但科学家认为它们可以回答关于宇宙的几个重大问题。其中最大的问题之一是暗物质的性质，这种不可见物质约占所有物质的85%，并提供有助于维系星系的引力。
“我们相信我们的研究将有助于证实它们确实存在，”迈阿密大学物理系副教授尼科·卡佩卢蒂在提到他与博士生阿尔贝托·马加拉吉亚共同进行的研究时说道。
一个不寻常的LIGO信号
他们的研究建立在激光干涉引力波天文台（LIGO）报道的一项可能发现之上，该天文台在去年年底探测到了一个不寻常的引力波信号。引力波是时空中的涟漪，由宇宙中一些最剧烈的事件产生，包括黑洞之间的碰撞。
大多数已知黑洞是在大质量恒星以超新星形式爆炸后形成的。它们的质量通常在太阳质量的几倍到数十亿倍太阳质量之间。
“最常见的黑洞是超新星的结果，即大质量恒星的死亡。因此，它们的质量范围可以从太阳质量的几倍到数十亿倍太阳质量，”卡佩卢蒂解释道。
但在11月，LIGO针对一次并合事件发布了自动警报，其中至少有一个天体的质量似乎小于一个太阳质量。如此小的黑洞很难通过传统的恒星演化理论来解释，反而可能指向原初黑洞。
并非所有人都信服。一些天体物理学家认为，该信号可能只是LIGO极度灵敏的探测器内的噪音，而非一项惊人新发现的证据。
这能解释暗物质吗？
卡佩卢蒂和马加拉吉亚认为，对探测到的天体最好的解释是：它是一个在恒星存在之前很久、于早期宇宙致密环境中形成的原初黑洞。
为了验证这一想法，研究人员估算了宇宙中可能存在的原初黑洞数量，以及LIGO应当能探测到它们的频率。
“我们试图估算宇宙中可能存在多少原初黑洞，以及LIGO应当能探测到其中的多少，”马加拉吉亚说。“我们的结果是令人鼓舞的。我们预测，像LIGO可能观测到的那种亚太阳质量黑洞确实应该很罕见，这与迄今为止此类事件极少被观测到的情况相符。”
他们的研究结果发表在《天体物理学杂志》上，表明这个神秘的LIGO信号没有常规的天体物理学解释，最符合原初黑洞的特征。
“这项研究表明，对于缺乏任何常规天体物理学解释的LIGO信号，最合理的解释是探测到了原初黑洞，”卡佩卢蒂说。“而且我们的研究指出，这些原初黑洞可能构成了暗物质的很大一部分，甚至可能是全部。”
尽管如此，两位研究人员都强调，一次探测不足以定论。
目前，科学家必须等待，看LIGO及其国际合作伙伴是否会记录到更多符合相同模式的事件。
“LIGO捕捉到了这类黑洞存在的非常有力的证据。但我们需要探测到另一个此类信号，甚至更多信号，才能获得证实它们真实存在的确凿证据，”卡佩卢蒂说。“但显而易见的是，我们不能排除它们真实存在的可能性。”
一个酝酿数十年的理论
原初黑洞的概念可追溯至冷战时期，当时苏联科学家雅科夫·泽尔多维奇和伊戈尔·诺维科夫首次提出了它们的存在。20世纪70年代初，斯蒂芬·霍金扩展了这一想法，认为这些天体可能在宇宙中大量存在，会发射辐射，并可能解释暗物质。
LIGO随后为寻找支持这些理论的证据提供了首次机会。2015年9月14日，该天文台首次探测到引力波，创造了历史，证实了阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的一项重大预言，并开辟了一条研究宇宙的全新途径。
引力波天文学的未来
LIGO由分别位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两个天文台组成。它们与意大利的“室女座”探测器以及日本的地下KAGRA天文台共同组成了国际LVK合作组织，致力于搜寻黑洞——即引力强到连光都无法逃脱的空间区域。
计划的升级将使LIGO变得更加灵敏，从而增加发现更多候选原初黑洞的机会。然而，该天文台的两个L形探测器（每个都有2.5英里长的真空臂）旨在探测由相对较近期的宇宙碰撞所产生的高频引力波，而非大爆炸本身直接产生的波。
未来的天文台将把探测范围延伸到更久远的时间。欧洲空间局的激光干涉空间天线（LISA）计划于2035年发射，预计将探测到来自大爆炸后宇宙最早期的引力波。
另一个计划中的设施“宇宙探索者”目前在美国处于设计阶段。研究人员预计其灵敏度将比LIGO高出约10倍，使其能够探测到追溯至第一批恒星形成时代的黑洞和中子星并合事件。