其实就是关于暗物质气体“排斥力”的瞎想。

 

最早接触暗物质是2001年做大学毕业论文的时候，老板让我做过一个冷暗物质方面的调研。后来硕士开始参加对撞机实验，就一直在跟正负电子湮灭的产物较劲。09年回南开工作，跟随喻纯旭老师参加了CDEX（China Dark Matter EXperiment）实验，
又重新开始关心暗物质问题（如图所示，暗物质很多，但无法从电磁波中观测到）。从那时候起一直有个问题萦绕在心头，就是暗物质为什么不能形成星体？或者说我们为什么没有观测到暗物质形成的星体？

 

今年3月下旬，华中的陈绍龙师兄来津报告“暗物质及其探测”，面询此疑，他从位力定理角度解释，我觉得不能说明问题，可惜当时他还有别的事情时间太紧没有细谈。后来“看”过不少暗物质理论方面的报告（因常在北京出差，故经常错过“听”相关报告，只能“看”了），有做暗物质种类的，也有做暗物质与标准模型物质作用的，还有做暗物质湮灭产生标准模型粒子的，但很少看到有做暗物质气体自身宏观结构的。虽说也有人做暗物质的自作用，但显然距离解答我的疑惑还有一段距离。

 

今天台湾中研院物理所的阮自強老师来津报告“Cosmic Antiproton and Gamma Ray Constraints on Dark Matter Effective Interactions”，终于得到了跟暗物质理论专家细谈的机会，把我的疑问跟阮老师大概说了一下，他表示很有趣，但需要细想一下。下面简单瞎掰一下我的疑问，若有幼稚之处请各位包含，毕竟我是做实验的，理论不是那么精通。

 

一般来说，要想形成星体有3个条件：
1、有足够密度的星际气体（对我们宇宙来说，主要是氢气或者氦气）；
2、有吸引力（一般来说是引力相互作用）；
3、有排斥力（对于行星，原子本身的热运动就能抵抗引力的收缩；对于恒星，需要热核反应提供足够的排斥效果；对于白矮星，需要电子简并压提供排斥力；对于中子星，需要中子简并压提供排斥力；对于黑洞，由于没有足够大的排斥力产生机制，无法抗衡引力的集聚效果，导致所有物质都收缩到视界内）；
具有这几个条件，星际气体才能自发形成星体。其中的排斥力尤其重要，因为排斥力不止是形成一般星体的必要条件，其产生机制还决定了物质收缩为黑洞的临界质量。

考虑暗物质气体（主流的观点认为暗物质应该是“粒子”），其密度是显然足够大的，吸引力也是没问题的，但排斥力就引人瞎想了。对于排斥力的大小有如下三种可能：
1、如果暗物质粒子的排斥力非常非常大（暂且不管是什么机制提供的），暗物质根本就不能形成黑洞，甚至连一般的星球都无法形成；（这与我们现在的观测貌似一致）
2、如果暗物质粒子根本就没有提供排斥力的机制，那么从大爆炸至今，在各种扰动涨落的效果下暗物质气体不可能保持气体状态，应当绝大部分形成黑洞；（但我们的观测表明，宇宙中黑洞星体的总质量非常微小，不可能是2的情况）
3、如果暗物质粒子有排斥力（暂且也不管是什么力）但比较小的话，那么暗物质粒子形成黑洞的临界质量就会比标准模型物质形成黑洞的临界质量小，这种情况就比较复杂了。（当然，也比较“好玩”了）

 

对于标准模型物质形成的星体来说，要想形成黑洞，只有一个额外条件，就是有足够大的质量，只要突破临界质量就能收缩成黑洞，而这个临界质量是比较大的。虽然霍金理论说在大爆炸初期可能会有很多微型黑洞产生，而现在关于微型黑洞的各种理论也是层出不穷。但微型黑洞普遍寿命较短，且很难探测到。

 

对于暗物质粒子就不一定了。在排斥力较小的假设下，由于临界质量小，暗物质粒子形成黑洞的临界质量就小。那就可以形成一些质量比较小，但并不是“那么小”的黑洞。这些黑洞普遍的存在于halo之中，寿命不长不短，在寿命耗尽时以爆炸或其他形式消失。如果是爆炸的话，那也许还是产生Gamma爆的原因呢。如果是其他机制不那么剧烈的消失，或许还有其他可观测信息出现。

 

唉，铺垫了半天，就是为了说出上面这一句话，一向讨厌写长文，真是费劲啊。。。