暗物質是星系的主要質量，那黑洞中是否存在大量的暗物質？

自廣義相對論誕生以後，宇宙中存在黑洞的想法也就應運而生，我們現在不僅在理論上預測了黑洞的形成方式，而且也捕捉到了黑洞模糊的身影。黑洞是引力作用下的極端產物，如果我們在把宇宙中更加神秘的暗物質考慮進去，會發生什麼？暗物質是星系的主要質量，那黑洞中是否存在大量的暗物質？

我們現在很確定，在宇宙中暗物質與重子物質的相互作用僅僅只通過引力交互，而且暗物質的數量約爲重子物質的5倍，那麼這是否說明了：一個黑洞的6分之5必須是暗物質。這個說法是否能給我們提供關於黑洞和暗物質更多的信息？

關於這個問題，我們首先考慮下黑洞到底是什麼？

以我們的地球爲例，地球表面的引力雖說很討厭，讓我們感覺很累！但引力也支撐着生命的存在。人類爲了逃離地球的重力場，必須達到驚人的速度，大約11200米/秒。太陽光球層的重力場要比地球強大得多，需要以618000米/秒的速度才能擺脫太陽的引力。雖說這些速度很快，但在適當的條件下我們還是可以達到的。

但是如果在一個足夠小的空間裡有足夠大的質量，那麼物體需要達到的逃逸速度可能會大於299,792,458米/秒，這個數字是不是很熟悉，這是真空中的光速。既然宇宙中沒有什麼物體的速度能超過光速，那麼就沒有任何物體能逃脫這個引力場，甚至光也不行。這就是一個黑洞的定義。

從黑洞的外部來看，我們無法判斷黑洞是由質子、電子、中子、暗物質甚至是反物質組成的。據我們所知，我們只能從黑洞外部觀察到三個性質：質量，電荷和角動量，角動量是衡量黑洞旋轉速度的指標。因此，如果我們想知道一個黑洞最初是由普通（重子）物質構成，還是由暗物質構成，就必須研究兩件事：

當我們仰望天空中年輕的恆星羣時，一些非常突出、明亮的藍色恆星很容易引起我們的注意。如果我們仔細觀察，就會這個大質量的藍色恆星並不能真正代表宇宙中絕大多數的星星。因爲每形成一個藍巨星，就會形成數百顆像我們的太陽或更暗的普通恆星；事實上，宇宙中形成的恆星中只有5%比太陽更大更亮！

雖然這些最大、最熱、最亮的恆星在宇宙中十分罕見，但它們卻與黑洞有關。這些恆星如此明亮的原因是因爲它們以非常驚人的速度在其核心燃燒着核燃料。像太陽這樣的恆星耗盡燃料之前可能會存在120億年，但質量是太陽10倍的恆星只會存在0.1%的時間。而宇宙中最大的恆星是太陽質量的數百倍，現在我們就會意識到這些藍巨星有多麼的短命。

大質量恆星在其核心可以把氦熔合成碳，然後把碳熔合成氧，氖和鎂，然後把氧熔合成硅，最後把硅熔合成鐵，恆星核心就變的每一個階段都會收縮和升溫。

正是恆星核心持續的核聚變產生的輻射壓力才使恆星免於引力坍縮，但鐵是大質量恆星的最後一根稻草。當核聚變進行到最後一個階段時，通過將鐵熔合成任何更重的元素都無法釋放更多的能量，所以恆星的核心會在自身的引力作用下崩塌。在引力的作用下，無論是原子還是原子核都將無法支撐自身，恆星的核心猛烈坍縮所釋放的重力勢能會引發壯觀的超新星爆發，其內核會不可阻擋的坍塌成一顆黑洞。

所以最初黑洞剛形成的時候，100%的正常物質（重子物質），可以說是0%的暗物質。

暗物質在星系中是如何分佈的

暗物質只在引力的作用下相互作用，而普通物質通過引力、弱力、電磁力和強力相互作用。所以當正常物質與其他正常物質接觸時，不管是通過電磁力、弱力還是強力，正常物質可以粘在一起，聚集，交換動量，並積累更多的正常物質。而另一方面，暗物質既不與普通物質“作用”，也不與其他暗物質“作用”。（因爲沒有其他三種力）這就是爲什麼，當我們觀察星系和星系團的時候，我們會認爲螺旋星系或橢圓星系被限制在一個相對較小的空間區域內，但整個星系卻被嵌在暗物質暈中，其體積可能是普通物質的數千倍。

在大型星系和星系團中，暗物質的總量可能是普通物質的5倍，但這考慮的是整個暗物質大光暈的總和與物質的比較。對於我們所討論的局部空間區域，也就是在星系的內部，正常物質完全支配着暗物質，也就是比暗物質多。

如果我們在太陽系周圍畫一個半徑爲100個天文單位的圓（其中一個天文單位是地球到太陽的距離），這個圓就會把所有的行星、衛星、小行星和幾乎整個柯伊伯帶都圈起來，但是在圈內部的重子質量（正常物質）將由太陽主導，重量約爲2×10^30千克。另一方面，同一圈內暗物質的總量是多少？只有1×10^19千克，也就是同一區域正常物質質量的0.0000000005%。

無論我們討論的是位於距銀河系中心數千光年的獨立黑洞，還是那些由星系核心附近的許多其他黑洞合併而成的超大質量黑洞，它們最初都是從大約100%的正常物質和0%的暗物質開始的。

隨着時間的推移，黑洞會以這兩種物質爲食。那麼暗物質是否主導了黑洞？

如果我們想讓黑洞質量增加，最簡單的方法是比較正常物質和暗物質的吞噬量，也就是比較正常物質密度和暗物質密度。在我們太陽系的位置，正常物質的密度是1.2×10^28千克每立方光年，而暗物質的密度仍然很大:2.5×10^27千克每立方光年，大約是正常物質的20%。但是要記住，在銀河系的邊緣和銀河中心是一個完全不同的故事。

銀河系中心有更多的暗物質，因爲隨着我們向星系中心移動，暗物質暈的密度會增加。然而，這種效應並不會增加很多，而且還存在巨大的不確定性，最樂觀的增長也將是1萬倍左右。(悲觀的估計是10到100倍）另一方面，銀河系中心正常物質的密度大約是太陽系附近的5千萬倍。在我們所在的地方，暗物質可能佔黑洞增長的16%，但最多隻能佔銀河系中心黑洞增長的0.004%。因此黑洞幾乎是由正常物質形成的，無論黑洞身處在哪裡。

綜上所述：暗物質確實是黑洞形成和成長的組成部分，但暗物質的作用太小了，也沒有任何重要性，因此，這並不能告訴我們關於暗物質的知識。

這裡還有個問題，由於霍金輻射的作用黑洞會失去質量。但這個過程非常緩慢，在有限的時間尺度上完全可以忽略不計。一個太陽質量的黑洞需要10^67年才能蒸發掉，也就是說，由於霍金輻射，它在一年內蒸發掉的質量還不到一個電子的質量，而宇宙中最大的超大質量黑洞需要10^100年才能蒸發掉，就算宇宙再過上138億年，它損失的質量還不到一個電子的質量。所以霍金輻射並不會影響黑洞內正常物質和暗物質的比例。

這就是對黑洞是否由暗物質構成的定量分析。黑洞最多隻能由0.004%的暗物質組成！