如果沒有暗物質，宇宙會變成什麼樣子？假如宇宙沒有暗物質會怎樣？黑洞和暗物質的關係

小深

科学家将宇宙比喻成一个由三部分组成的大饼，构成日、月、星辰、生命以及一切人类所认知的普通物质只占宇宙的大约5%，宇宙的95%以上是人类还没弄清楚的暗物质和暗能量。宇宙的绝大部分对人类来说是隐藏和最难了解的。
每时每刻，都有无数暗物质粒子穿过人体，人体却完全没有感觉，那么科学家怎么知道宇宙中存在暗物质？20世纪30年代，一位脾气古怪、却有着敏锐洞察力的瑞士天体物理学家兹威基发现，后发座星系团有些奇异之处：尽管其中的星系看似以引力作用相互束缚，但从它们很高的运动速度来看，星系团将不可避免地分崩离析。然而后发星系团并未瓦解。兹威基提出，后发星系团中存在大量不可见的神秘物质。然而当时兹威基有关暗物质的推论没有引起注意。假如没有暗物质的引力作用，星系将无法形成。到了20世纪70年代，美国天文学家薇拉·鲁宾对漩涡星系的详细观测发现，距离星系中心很远地方的恒星与靠近星系中心的恒星旋转速度一样快，这意味着的星系中包含了更多的物质，这些没有被直接看到而只是通过引力效应表现出来的物质就是暗物质。此后，科学家对星系、星系团、引力透镜效应、宇宙微波背景辐射等观测获得的一系列天文证据，逐渐让人们认识到暗物质确实是存在的。。




在我们的宇宙中，暗物质的质量是普通物质的5倍，塑造了我们所知的宇宙。如果没有暗物质，宇宙会是什么样子？在我们自己的太阳系中，我们观测和测量的巨型天体主要由普通物质构成。人类、行星、卫星，甚至太阳，其核心都由相同类型的成分构成：质子、中子和电子，它们结合在一起形成各种原子核、原子、分子，甚至更宏大的结构。当我们观察这些天体的轨道时，几乎不存在任何暗物质的空间；它的存在及其对太阳系尺度的影响微乎其微，可以忽略不计。但当我们从更大的宇宙尺度来观察时，包括：
星系尺度、相互作用的星系对、星系群和星系团、碰撞中的星系团，以及宇宙网这种大尺度的丝状结构，暗物质占据主导地位，普通物质虽然发出重要的光，但在引力作用下却处于次要地位。


这足以让人不禁思考：如果暗物质在如此宏大的宇宙尺度上如此重要，那么如果没有它，我们的宇宙会有什么不同？如果没有暗物质的影响（无论它最终是什么），宇宙会有什么不同？用‘暗物质的影响’而不是‘暗物质’，是为了避免最终发现暗物质根本不存在，它只是我们目前尚不了解的宇宙属性。为了理解宇宙会有何不同，我们必须首先回到宇宙的起源，了解暗物质扮演的角色。只有这样，我们才能将其与没有暗物质的场景进行比较。让我们来一探究竟！
回溯到大爆炸之初，宇宙中充满了所有可以想象到的粒子和反粒子。在这些极高的能量、温度和密度下，任何能够被创造出来的东西都诞生了，包括标准模型中的所有量子。无论暗物质是什么，无论是弱相互作用大质量粒子、轴子还是其他任何东西，它们都是在很早的时候就被创造出来的。尽管宇宙诞生时的密度几乎完全均匀，但在所有尺度上，都存在一些区域，它们要么略微过密，要么密度过低，平均密度约为三万分之一。
随着宇宙的膨胀和冷却，宇宙历史上发生了许多引人入胜的事件。电弱对称性破缺。希格斯场赋予已知粒子静止质量。夸克结合形成强子，包括质子和中子。反物质湮灭，只留下比反物质略微过剩的正常物质。核反应发生，产生了轻元素及其同位素：然后，38万年后，当宇宙冷却到足够低的温度时，电子与原子核结合，形成了中性原子。但在最后两个步骤之间——核合成之后但在稳定的中性原子形成之前——宇宙历史的这个“无聊”部分决定了初始密度波动如何演变。
与宇宙视界相比，在较小的宇宙尺度上，这些密度波动会经历以下步骤。引力吸引越来越多的物质进入密度过高的区域，进一步增加其密度。随着密度的增加，辐射会从这些区域流出，将正常物质推向外部，但不会推向暗物质。这会导致密度下降，进而引发振荡：这些区域周期性地增长和收缩。随着宇宙的膨胀，越来越大的尺度开始下沉和增长，然后流出和收缩，然后振荡。直到最终，当中性原子形成时，密度过高会出现一个巨大的“峰值”，物质此时第一次下沉到这个峰值，但从未被推出。这个过程在宇宙微波背景的温度中产生了一系列的峰谷变化；山峰越高，密度也就越大。数百万年甚至数十亿年后，这些最高峰将转化为最大的质量密度，从而形成这些尺度的宇宙结构：星团、矮星系、大型星系、星系群和星系团，甚至最终形成宏大的宇宙网。这些微小的宇宙种子，最初看似渺小无比，最终将成长为宇宙所拥有的结构。
当这些结构形成时——例如星系之类的结构——它们最初会将物质拉入其中，无论这些物质属于哪种类型（正常物质还是暗物质）。如果暗物质的丰度是正常物质的五倍，那么在每个形成的结构中，初始成分将约为17%的正常物质和约83%的暗物质。然而，这两种物质的行为方式截然不同。
正常物质除了引力作用外，还能碰撞、黏附、升温、吸收和发射光、释放线动量和角动量，并形成坍缩结构，包括气流、恒星、黑洞等等。
另一方面，暗物质只能产生引力作用。它不能碰撞、黏附、吸收或发射光，也不能坍缩。除了纯粹的引力作用外，它与任何其他形式的物质或辐射没有已知的相互作用。因此，现代星系通常由两个部分组成：由正常物质构成的致密重子部分，其中包含所有恒星、星团、气体、尘埃、恒星残余、行星等；由暗物质构成的弥散非重子部分，它非常巨大，存在于一个巨大的“蓬松”光晕中，其范围是重子部分整个范围的许多倍。


这一点至关重要，原因有很多，但可以说最重要的是：暗物质构成了星系引力势的大部分。当星系内恒星首次形成时，随着气体云的坍缩和碎裂，这些物质聚集体：
升温，释放出恒星风和辐射，在其核心引发核聚变，并且——对于质量最大的恒星来说——迅速燃烧掉燃料，在类似超新星的恒星灾变中消亡。来自大质量恒星的恒星风和辐射，以及来自超新星的冲击波，会对任何剩余的正常物质施加强大的向外压力，还能使其电离并加速到极高的速度。
如果这些年轻星系内部的引力总体过小，那么所有未立即形成恒星的正常物质都会被抛射出去。这种效应在质量最低的星系和最早的几代恒星中最为显著。如果没有足够的引力来束缚第一代恒星形成的残余物质，就会错过形成未来恒星的机会：这些恒星富含重元素，能够形成岩石行星、复杂分子和生命。
人们在谈论暗物质的作用时，通常会讨论暗物质产生的星系自转曲线与没有暗物质时不同，因为星系周围的引力分布会有所不同。他们还会讨论引力透镜信号的不同，因为星系、类星体和星系团周围的物质分布中不再包含这种弥散的、蓬松的成分。他们还会讨论碰撞的星系团在引力作用下，会受到两个主要成分之间发射X射线的加热气体的主导，而不是像暗物质那样简单地穿过碰撞。所有这些都是事实，但它们绝不是宇宙差异最大的方面。为了了解哪些方法更为深刻，让我们回到宇宙故事的开端。但这一次，我们假设宇宙中存在着相同数量的成分——相同数量的正常物质、相同数量的中微子、相同数量的以光子形式存在的辐射，甚至相同数量的暗能量——但这一次，我们完全没有暗物质。第一个重大差异将在大爆炸核合成完成、轻元素形成之后、中性原子形成之前出现。


如果没有暗物质，宇宙微波背景辐射中出现的声峰模式——代表特定尺度上温度波动幅度的峰——将会截然不同。峰值数量会更少；第一个声峰会比其他所有峰值更大、更重要；宇宙“能量”会集中在相对较大的宇宙尺度上：相当于今天约5亿光年的尺度。辐射压会“冲刷”宇宙中较小尺度的结构，因为辐射与正常物质有效相互作用，但与暗物质无关。
这相当于一个宇宙，其小尺度结构的形成会比我们宇宙中的星系受到抑制。从一开始，单个星系的数量就会更少。它们不会由暗物质和正常物质混合构成，而仅由正常物质构成：它们最初是气体云。这些气体云会形成、坍缩，并形成宇宙中的第一批恒星，就像在我们富含暗物质的宇宙中一样，但几乎立刻就会出现一些重大差异。
对于那些确实在无暗物质宇宙中形成的星系来说，它们将立即面临挑战。恒星不仅会发射可见光，还会发射大量的紫外线和电离辐射。它们会发射粒子喷流，并以恒星风的形式吹散大量快速移动的物质。而对于质量远大于当今恒星的第一批恒星来说，这些影响甚至更加严重。一旦发生第一次恒星形成爆发，这些新形成恒星的影响将有效地将所有剩余的中性物质蒸发/蒸发掉，将其从星系中喷射出来，重新回到星系际介质中。
这里指的不是星际介质，即单个星系内恒星之间的空间，而是星系际介质，即星系本身之间的空间。如果没有暗物质，恒星风和紫外线辐射的共同作用会给周围物质带来强烈的“冲击”，使其不仅会被吹回星际介质，还会完全脱离其形成星系的引力束缚。当这些恒星进一步演化并消亡时，对于大多数早期恒星来说，这很可能意味着超新星爆发。这些恒星的喷出物移动速度如此之快，以至于——同样，在没有暗物质的情况下——它们会脱离最初坍缩形成这些恒星的剩余物质的引力束缚。
这对于大多数即将形成的星系来说，意义非凡。与我们的宇宙不同，在暗物质存在的宇宙中，融合于一代恒星的物质会返回星际介质，并参与后续几代恒星的形成。而在大多数情况下，这“第一代”恒星代表着星系演化的终点。如果没有暗物质，这些恒星残骸的喷出物会被吹散到星系际空间，根本不会存在未来的恒星。我们所认为的星系只不过是墓地，充满了黑洞和第一代恒星形成过程中的恒星残骸。
当我们观察单个恒星系统时，这意味着与富含暗物质的宇宙相比，其复杂性——以岩石行星、有机分子和生命潜力的形式——显得格外不受欢迎。如果无法将元素从一代恒星循环到下一代恒星，原行星盘中就不会出现任何重元素（形成岩石行星所必需的）。如果没有大量的碳、氮、氧，以及硅、磷、铜和铁等更重的元素，不仅生命不可能存在，而且唯一可能形成的行星也只能是由氢和氦组成的气态世界。如果没有更重的元素来冷却新形成的原恒星，最终形成的恒星数量会更少，但质量会更大，寿命也会更短。“类太阳”恒星将会非常罕见，而拥有类地行星的类太阳恒星几乎不可能存在。




即使是规模最大、质量最大的星系，在经历第一次重大恒星形成事件后，也会损失大量用于形成新恒星的气体。只有那些罕见的、非常巨大且质量巨大的星系才有可能孕育出多代恒星并孕育生命。宇宙将变得更加黑暗，星系总数也将减少。最后，当我们放眼宇宙的最大尺度时，如果没有暗物质来构成宇宙网——在我们实际宇宙中形成的结构的不可见“骨架”或“主干”——就不会有网状的细丝。我们最终只会看到一些由中等大小星系组成的孤立岛屿，其较小和较大尺度的结构都会受到严重抑制。
暗物质最重要的作用是引力，并且持续不断地产生引力。暗物质不像普通物质那样受到辐射的影响，因为暗物质和辐射之间没有相互作用的截面。它不像普通物质那样聚集黏附，因此其巨大、弥散、蓬松的特性会形成巨大的质量晕，这对于结构的形成至关重要。它在所有尺度上的普遍存在构成了宇宙网，并帮助小尺度星系形成并维系在一起，即使跨越几代恒星也是如此。
即使在最有利的无暗物质环境中，像地球这样拥有生物的行星是否能够形成，仍存在争议。恒星的数量会更少，星系的数量也会更少，只有少数“幸运大小”的星系能够形成多代恒星。没有暗物质，我们的宇宙结构将会少得多，而现有的结构则会复杂得多。幸好我们不必离开它而生存，因为没有它，生命甚至可能根本不可能存在。。

暗物质，既不发光，也不和光发生吸收、反射和折射等作用，不仅在没有光的黑暗中看不到它，即使在有光线的环境中也完全透明，我们同样看不到它。这也是目前世界各国都在集中人力、物力和财力着重研究的一大课题。因为科学家们笃信，通过对暗物质和暗能量的探索和研究将揭开银河系和宇宙的起源。
虽然科学家们还不知道暗物质究竟由什么构成，但通过观测它如何影响普通物质，并模拟它的引力效应，还是对它有了一些认识：
1。由于暗物质不会吸收和辐射电磁波，它是电中性的。
2。暗物质密度小，难以捕捉。
3。暗物质应该来自于宇宙大爆炸。
4。暗物质的引力作用对宇宙结构的形成至关重要，暗物质播下了宇宙丝状结构的种子。
5。暗物质的分布可能是不均匀的，会在星系周围形成密度不均的“晕”。星系中心方向的暗物质密度一般较高。
6。神秘如斯的暗物质，对生命来说是绝不可少的。假如没有暗物质的引力作用，星系将无法形成。那样的话，现在既没有太阳，也没有地球，更没有你我。
7。大多数物理学家认为，暗物质很可能是某些奇异粒子。国际科学界研究最多也最被粒子物理学家看好的暗物质模型是“弱相互作用大质量粒子”。
但是，科学家不知道暗物质粒子的质量，不知道暗物质粒子和外界是否存在非引力作用，更不知道它是如何在宇宙极早期形成的。还有的理论家猜测暗物质存在于另一个膜中。根据弦理论，它位于更大的10维宇宙中，也许存在不止一种暗物质粒子。暗物质和暗能量被视为现代物理学和天文学的“两朵乌云”，目前世界各国都在集中人力、物力和财力研究这一问题。揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃，引起物理学的又一次革命。明确这种神秘物质的性质成为现代物理学界最长时间没有找到答案的问题。物理学家已经等待了数十年，通过一系列实验和观测，或许距离破解暗物质这个宇宙谜团只有一步之遥了。。

美国迈阿密大学、耶鲁大学和欧洲空间局的天体物理学家们，提出了一个颠覆教科书的观点：原初黑洞是宇宙中所有暗物质的来源。他们建立了宇宙如何形成的替代模型，发现所有黑洞（从小到针头到能覆盖数十亿公里的黑洞）都是在大爆炸后立即产生的，并“占据”了所有暗物质。
该研究表明黑洞自宇宙诞生以来就已经存在，并且这些原始的黑洞，可能就是迄今为止无法解释的暗物质之祖。如果近日发射的詹姆斯·韦布空间望远镜未来能收集到确凿的数据加以证明，那么这一发现可能会改变对暗物质和黑洞这两大宇宙奥秘的起源和性质的科学理解。我们的研究预测了如果暗物质不是未知粒子，而是来自大爆炸期间形成的黑洞，那么早期宇宙会是什么样子——它正如斯蒂芬·霍金在上世纪70年代所认为的那样。
首先，我们将不再需要‘新物理学’来解释暗物质。其次，这将有助于我们回答现代天体物理学中最引人注目的问题之一：早期宇宙中的超大质量黑洞怎么会增长得如此之快？鉴于我们今天在现代宇宙中观察到的机制，它们没有足够的时间形成。这也将解决一个长期存在的谜团，即为什么星系的质量总是与其中心的超大质量黑洞的质量成正比。
从未直接观察到的暗物质被认为是宇宙中的大部分物质，并充当星系形成和发展的支架。另一方面，已经观察到的、可在大多数星系中心发现的黑洞，其空间中物质如此紧密地压缩在一个点，让它们产生强烈的引力。由耶鲁大学天文学和物理学教授普利亚万达·纳塔拉詹和欧洲空间局科学主任金特·哈辛格共同主导的这项新研究表明，所谓各种大小的原初黑洞，其实“占据”着宇宙所有的暗物质。
不同大小的黑洞仍然是个谜，我们不明白自宇宙存在以来，超大质量黑洞怎么会在相对较短的时间内变得如此之巨大。他们的模型调整了霍金和物理学家伯纳德·卡尔最初提出的理论，后者认为在大爆炸后的前几分之一秒内，宇宙密度的微小波动可能创造了一个起伏的景观，其中包含“块状”区域，具有额外的质量。这些块状区域会坍塌成黑洞。该理论并未获得科学依据，但卡佩鲁蒂、纳塔拉詹和哈辛格表示，只要稍加修改，它就可能是有效的。他们的模型表明，在早期宇宙中，第一批恒星和星系会在黑洞周围形成。他们还提出，原初黑洞有能力通过吞噬附近的气体和恒星，或与其他黑洞合并而成长为超大质量黑洞。
原初黑洞，如果它们确实存在，很可能是所有超大质量黑洞形成的种子，包括银河系中心的黑洞，这个想法让我个人觉得非常令人兴奋，它优雅地统一了我正在研究的两个真正具有挑战性的问题——探索暗物质的本质以及黑洞的形成和生长，并一举解决了它们。
原初黑洞也可能解决另一个宇宙学难题：与X射线辐射同步的过量红外辐射，是从散布在宇宙中的遥远昏暗源中检测到的。研究人员表示，不断增长的原初黑洞将呈现“完全”相同的辐射特征。最重要的是，原初黑洞的存在，可能会在不久的将来得到证实或否定——这要取决于去年底从法属圭亚那发射的韦布空间望远镜和欧洲空间局计划于2030年代执行的激光干涉仪太空天线任务。
由美国国家航空航天局、欧洲空间局和加拿大航天局为接替哈勃空间望远镜开发的韦布望远镜可回溯超过130亿年的宇宙历史。如果暗物质由原始黑洞组成，那么在早期宇宙中，它们周围就会形成更多的恒星和星系，而这正是宇宙时间机器能够看到的。如果第一批恒星和星系已经在所谓的‘黑暗时代’形成，韦布应该能够看到它们的证据。与此同时，LISA将能够从原初黑洞的早期合并中获取引力波信号。