原始黑洞和从多元宇宙中寻找暗物质

卡夫里宇宙物理与数学研究所(K*li IPMU)是许多跨学科项目的所在地，这些项目得益于该研究所广泛专业知识的协同作用。一个这样的项目是研究在恒星和星系诞生之前的早期宇宙中可能形成的黑洞。

这样的原始黑洞(PBH)可能占全部或部分暗物质，造成一些观察到的引力波信号，并在我们银河系和其他星系的中心发现超大质量黑洞。当它们与中子星碰撞并破坏它们，释放出富含中子的物质时，它们还可能在重元素的合成中发挥作用。尤其令人兴奋的可能性是，占宇宙中大部分物质的神秘暗物质由原始黑洞组成。一位理论家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)和两位天文学家莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·格兹(Andrea Ghez)被授予2020年诺贝尔物理学奖，因为他们的发现证实了黑洞的存在。由于已知自然界中存在黑洞，因此它们非常适合用于暗物质。

一个国际粒子物理学家，宇宙学家和天文学家团队，包括K*li IPMU成员Alexander Kusenko，Misao Sasaki，Sunao Sugiyama，Masahiro Takada和Volodymyr Takhistov，在寻找PBH的基础理论，天体物理学和天文观测方面取得了最新进展。

为了了解有关原始黑洞的更多信息，研究团队研究了早期宇宙的线索。早期的宇宙是如此密集，以至于任何超过50%的正密度波动都会产生黑洞。但是，众所周知，播种星系的宇宙扰动要小得多。然而，早期宇宙中的许多过程可能为黑洞的形成创造了正确的条件。

一种令人兴奋的可能性是，原始的黑洞可能是由通货膨胀期间形成的“婴儿宇宙”形成的，通货膨胀是一个快速扩张的时期，被认为是我们今天观察到的结构(例如星系和星系团)播种的原因。在通货膨胀期间，婴儿宇宙可以从我们的宇宙中分支出来。一个小的婴儿(或“女儿”)宇宙最终会崩溃，但是在小体积中释放的大量能量会导致形成黑洞。

更大的婴儿世界等待着更加奇特的命运。如果它大于某个临界大小，则爱因斯坦的引力理论将允许婴儿宇宙以与内部和外部观察者不同的状态存在。内部观察者将其视为正在扩展的宇宙，而外部观察者(例如我们)将其视为黑洞。无论哪种情况，我们都将大小婴儿宇宙视为原始的黑洞，它们将多个宇宙的基本结构隐藏在其“事件视界”之后。事件视界是一个边界，在该边界下，所有物体(即使是光线)也被捕获并且无法逃脱黑洞。

该小组在**中描述了PBH形成的新情况，并表明可以使用8.2m斯巴鲁望远镜的超级Suprime-Cam(HSC)找到巨大的“多重宇宙”场景中的黑洞。 K*li IPMU的管理发挥了至关重要的作用-在山顶4,200米附近。夏威夷的冒纳凯阿(Mauna Kea)。他们的工作是K*li IPMU首席研究员Masahiro Takada和他的团队追求的HSC搜索PBH的令人兴奋的扩展。HSC团队最近报告了Niakura，Takada等人对PBHs存在的主要**。等 (自然天文学3，524-534(2019))

为什么HSC在这项研究中必不可少?HSC具有每隔几分钟对整个仙女座星系成像的独特功能。如果黑洞通过视线到达其中一颗恒星，则黑洞的引力会使光线弯曲，并使该恒星在短时间内显得比以前更亮。恒星变亮的持续时间告诉天文学家黑洞的质量。通过HSC观测，一个人可以同时观测一亿颗恒星，并为可能穿越某一视线的原始黑洞投下了宽广的网。

最早的HSC观测已经报告了一个非常有趣的候选事件，与“多重宇宙”中的PBH相一致，黑洞的质量与月球的质量相当。在第一个迹象的鼓舞下，并在新的理论理解的指导下，研究小组正在进行新一轮的观察，以扩大搜索范围，并提供确定性的测试，以验证多宇宙场景中的PBH是否能解决所有暗物质。