奇异黑洞可能是暗物质的副产品

我们能看到的每千克物质(从桌上的电脑到遥远的恒星和星系)中，都有5千克不可见的物质充斥着我们的周围。这种“暗物质”是一种神秘的物质，它无法通过任何形式的直接观察来感知，但它对可见物体的不可见引力却能让人感受到它的存在。

五十年前，物理学家斯蒂芬霍金提出了暗物质可能是什么的想法：一群黑洞，可能在大爆炸后不久形成。

这种“原始”黑洞不会是我们今天所探测到的巨型黑洞，而是在大爆炸后的第一个千万亿分之一秒内形成的超密物质的微观区域，然后坍缩并散布在整个宇宙中，以某种方式拉扯着周围的时空，这可以解释我们今天所知的暗物质。

现在，麻省理工学院的物理学家发现，这一原始过程还会产生一些意想不到的伴星：更小的黑洞，具有前所未有的核物理特性，被称为“色荷”。

这些最小的“超级充电”黑洞可能是一种全新的物质状态，它们很可能在诞生后几分之一秒内蒸发殆尽。但它们仍可能影响了宇宙学的一个关键转变：第一个原子核形成的时间。

物理学家推测，带色电荷的黑洞可能影响了核聚变的平衡，天文学家将来也许会通过测量探测到这种影响。这样的观察结果将有力地表明，原始黑洞是当今所有暗物质的根源。

“尽管这些寿命短、奇异的生物如今已不复存在，但它们可能以如今微妙的信号形式影响了宇宙历史，”麻省理工学院格梅斯豪森科学史教授兼物理学教授戴维·凯泽(DavidKaiser)表示。“考虑到所有暗物质都可以用黑洞来解释，这给了我们新的探索方向。”

凯泽和他的合著者、麻省理工学院研究生埃尔巴·阿隆索-蒙萨尔维(ElbaAlonso-Monsalve)在《物理评论快报》杂志上发表了他们的研究成果。

星辰之前

我们今天所知道和探测到的黑洞是恒星坍缩的产物，当一颗大质量恒星的中心塌陷时，形成一个非常致密的区域，它可以弯曲时空，任何东西——甚至是光——都会被困在其中。这种“天体物理”黑洞的质量可能是太阳的几倍，也可能是太阳的数十亿倍。

相比之下，“原始”黑洞要小得多，据信是在恒星形成之前形成的。在宇宙形成基本元素(更不用说恒星)之前，科学家们认为，超致密的原始物质可能已经聚集并坍缩形成微型黑洞，这些黑洞的密度可能非常大，可以将一颗小行星的质量挤压到一个原子大小的区域。这些微小、不可见物体的引力遍布整个宇宙，可以解释我们今天看不到的所有暗物质。

如果真是这样，那么这些原始黑洞是由什么构成的呢?这就是凯撒和阿隆索-蒙萨尔夫在新研究中探讨的问题。

凯泽解释道：“人们研究过早期宇宙形成过程中黑洞质量的分布情况，但从未将其与黑洞形成时哪些物质会落入黑洞联系起来。”

超级犀牛

麻省理工学院的物理学家首先通过现有理论研究了黑洞在早期宇宙中形成时的质量可能分布。

“我们意识到，原始黑洞的形成时间与其形成时的质量之间存在直接的相关性，”阿隆索-蒙萨尔维说。“而且这个时间窗口非常早。”

她和凯泽计算出，原始黑洞一定是在宇宙大爆炸后的第一个千万亿分之一秒内形成的。这一瞬间会产生“典型的”微观黑洞，它们的质量与小行星一样大，大小与原子一样小。它还会产生一小部分比它们小得多的黑洞，它们的质量与犀牛一样大，体积比单个质子小得多。

这些原始黑洞是由什么构成的?为此，他们研究了早期宇宙的组成，特别是量子色动力学(QCD)理论——研究夸克和胶子如何相互作用。

夸克和胶子是质子和中子的基本构成要素，质子和中子是基本粒子，它们结合在一起形成了元素周期表的基本元素。大爆炸之后，物理学家根据QCD估计，宇宙是夸克和胶子组成的极热等离子体，然后迅速冷却并结合产生质子和中子。

研究人员发现，在最初的五万亿分之一秒内，宇宙仍是尚未结合的自由夸克和胶子的混合物。在此期间形成的任何黑洞都会吞噬这些未结合的粒子，以及一种称为“色荷”的奇异性质——一种只有未结合的夸克和胶子才携带的电荷状态。

“一旦我们弄清楚这些黑洞是在夸克胶子等离子体中形成的，我们必须弄清楚的最重要的事情是，最终形成原始黑洞的物质团中包含多少色荷?”阿隆索-蒙萨尔维说。

他们利用QCD理论计算出在早期高温等离子体中应该存在的色电荷分布。然后，他们将其与在第一个千万亿分之一秒内坍缩形成黑洞的区域的大小进行了比较。结果表明，当时大多数典型的黑洞中不会有太多的色电荷，因为它们是通过吸收大量混合电荷的区域形成的，这些电荷最终会加起来形成“中性”电荷。

但最小的黑洞应该充满了色电荷。事实上，根据物理学的基本定律，它们应该包含黑洞允许的最大电荷量。尽管这种“极端”黑洞已经被假设了几十年，但直到现在还没有人发现这种奇特现象在我们的宇宙中形成的实际过程。

超强黑洞会迅速蒸发，但可能只在第一个原子核开始形成之后才会发生。科学家估计，这个过程开始于大爆炸后一秒左右，这将给极端黑洞足够的时间来破坏第一个原子核开始形成时所占的平衡条件。这种扰动可能会影响那些最早的原子核的形成方式，而这种影响有朝一日可能会被观察到。

“这些物体可能留下了一些令人兴奋的观察印记，”阿隆索-蒙萨尔维沉思道。“它们可能改变了这个与那个的平衡，这就是人们开始思考的事情。”