摘要：宇宙学长期以来的两大谜题分别是：暗能量的本质与中微子的质量。这两个问题不仅深刻影响我们对宇宙演化的理解，也与粒子物理的核心问题紧密相连，需要来自天文观测、实验室实验和理论模型的共同支持。发表在PRL一篇题为 《Positive Neutrino Masses
宇宙学长期以来的两大谜题分别是：暗能量的本质与中微子的质量。这两个问题不仅深刻影响我们对宇宙演化的理解，也与粒子物理的核心问题紧密相连，需要来自天文观测、实验室实验和理论模型的共同支持。发表在PRL一篇题为 《Positive Neutrino Masses with DESI DR2 via Matter Conversion to Dark Energy》 的研究提出了一个引人注目的模型，它试图通过黑洞、宇宙膨胀和中微子物理之间的相互作用来连接这两大谜题。
数十年来，ΛCDM 模型一直是标准宇宙学框架。该模型认为，宇宙主要由宇宙学常数 Λ（暗能量的形式，能量密度固定不变）、冷暗物质（CDM）和普通物质组成。ΛCDM 模型成功解释了宇宙微波背景（CMB）的各向异性、星系的大尺度分布，以及宇宙的整体膨胀历史。
然而，随着观测精度的提升，ΛCDM 模型逐渐显露不足。例如，哈勃常数的测量显示了早期宇宙（如 CMB 推导结果）与晚期宇宙（如 Ia 型超新星和本地测距法）之间的冲突。DESI 对跨越数十亿光年的星系进行的重子声波振荡（BAO）测量，则进一步显示暗能量可能并非恒定不变，而是随时间演化。
与此同时，中微子物理也面临困境。振荡实验已确证中微子有质量，但只能测出不同质量态之间的差值，无法直接确定总和 ∑mν。实验室的约束给出了大约 0.06 eV 的下限，而宇宙学推导往往给出更强甚至令人困惑的结果。在 ΛCDM 假设下，DESI 与 CMB 联合数据甚至可能偏好“负中微子质量”，这是物理上不可能的信号，提示我们需要新的物理机制来解释。
新论文提出了一个激进的新模型：恒星坍缩形成的黑洞不以奇点为终点，而是形成内部充满暗能量的“非奇异黑洞”。换句话说，恒星坍缩过程中，一部分物质会被转化为暗能量。
这种机制被称为“宇宙学耦合黑洞”（CCBH）方案，带来了两个核心结果：
它为宇宙提供了一种自然的暗能量来源，从而解释宇宙的加速膨胀。
它减少了晚期宇宙中的普通物质含量，对宇宙学推断产生深远影响，尤其是对中微子质量的推导。
作者们将 CCBH 模型应用于 DESI DR2 数据，该数据包括数百万星系的 BAO 精确测量，并结合了 Planck 与 ACT 的 CMB 结果。模型在重构宇宙膨胀历史的同时，与大爆炸核合成的重子丰度约束保持一致，并缓和了本地距离标尺冲突。
更为关键的是，该模型解决了中微子质量问题。在 ΛCDM 框架下，过高的晚期物质密度迫使拟合结果趋向于负中微子质量；而在 CCBH 模型中，部分物质被黑洞转化为暗能量，降低了晚期物质含量，从而“释放空间”允许中微子携带正的质量贡献。最终结果与实验室振荡实验给出的下限保持一致。
事实上，该模型对中微子总质量的最佳拟合值为 0.106 eV 左右，这个值不仅是正值，而且数值与实验室约束高度一致，并为未来中微子实验（如 KATRIN）提供了清晰的预测窗口。
这一模型对宇宙学与粒子物理都有深远意义。
对宇宙学而言：它提供了一种新的暗能量动力学机制，而不必依赖额外的标量场或经验参数。通过把恒星的演化与宇宙膨胀直接联系起来，该模型揭示了天体物理与宇宙学之间的潜在桥梁。
对粒子物理而言：它恢复了中微子质量的正值，与地面实验保持一致，避免了“负质量”的尴尬。更重要的是，它预测的质量范围恰好处于下一代实验可验证的区间之内，未来有望通过实验交叉验证。
在哲学层面：该模型挑战了人们对能量守恒的直觉。在广义相对论中，能量在弯曲时空中并不严格守恒，黑洞可以从引力场中“汲取”能量，将物质转化为暗能量。这与光子在引力场中红移的现象在逻辑上是一致的。
尽管前景诱人，该模型仍有许多悬而未决的问题。
微观机制：物质如何在黑洞坍缩中转化为暗能量，目前仅有类似“希格斯机制逆过程”的推测，缺乏具体的粒子物理理论支持。
可观测性：黑洞内部结构不可直接观测，验证这一假设可能需要依赖宇宙学尺度的间接信号。
替代理论：改进的暗能量模型或广义相对论的修正理论也可能解释数据。我们需要更多的观测数据（例如未来的 DESI 全数据、CMB-S4、弱透镜等）来判定哪个模型更符合自然。
新论文展示了观测宇宙学、天体物理与粒子物理如何结合，提出了大胆的新框架。通过将恒星的死亡与宇宙的加速膨胀相联系，CCBH 模型为解决现代物理中两个最顽固的问题提供了可能的路径：暗能量的起源与中微子质量的绝对值。
如果这一模型得到进一步验证，它将意味着我们对黑洞和整个宇宙的理解发生重大转变。随着 DESI、CMB-S4 以及新一代中微子实验的推进，未来十年可能见证这一问题的最终答案——宇宙是否真的会把物质转化为暗能量，并因此让中微子展现出其真实的质量。
来源：塔普科学
