一种证明原始黑洞是否构成暗物质的新方法

早期的宇宙是个奇怪的地方。在其历史的早期 —— 在最初的万亿分之一秒 —— 整个宇宙只不过是一团热得惊人的等离子体。根据麻省理工学院（MIT）的研究人员的说法，这种夸克和胶子的汤伴随着奇怪的小原始黑洞（PHBs）的形成。这些消失已久的PHB完全有可能是暗物质的根源。

麻省理工学院的大卫·凯撒（David Kaiser）和研究生厄尔巴·阿隆索·蒙萨尔维（Elba Alonso Monsalve）认为，这种早期的超级带电黑洞很可能是我们在现代宇宙中看不到的一种新的物质状态。凯撒说：“尽管这些短命的奇异生物今天并不存在，但它们可能以某种方式影响了宇宙的历史，这些方式可能在今天以微妙的信号表现出来。在所有暗物质都可以用黑洞来解释的想法中，这给了我们新的东西去寻找。”这意味着，寻找暗物质起源的新方法。

暗物质是神秘的。还没有人直接观察到它。然而，它对常规“重子”物质的影响是可以检测到的。科学家们对暗物质可能是什么有很多建议，但在他们观察到它之前，很难确切地说出它是什么。黑洞可能是候选者。但所有可观测到的暗物质的质量不足以解释宇宙中暗物质的数量。然而，这可能与黑洞有关。

穿越宇宙时间的黑洞

我们大多数人都熟悉至少两种类型的黑洞：恒星质量黑洞和超大质量黑洞。还有一群中等质量的黑洞，这是非常罕见的。当大质量恒星以超新星的形式爆炸并坍缩形成黑洞时，恒星质量的物体就形成了。它们存在于许多星系中。超大质量黑洞将数百万太阳质量聚集在一起。它们是由较小的星系“分层”形成的，存在于星系的中心。中等质量的黑洞也可能是分层形成的，并且可能是其他两种类型之间的隐藏联系。

黑洞的形成贯穿了整个宇宙的历史。这就是为什么原始黑洞的想法并不太令人惊讶，尽管它们仍然难以捉摸。在它们非常原始的状态下，它们会是密度极高的物体，其质量相当于一颗小行星被压在一个原子大小的物体上。它们可能不会持续很长时间 —— 也许再过万亿分之一秒。形成后，它们要么消失，要么分散在不断膨胀的宇宙中。

原始黑洞和暗物质之间的联系

那么，如果这些奇怪的PHB如此迅速地出现和消失，它们是如何影响暗物质的形成的呢？这就是凯撒和他的学生的研究的切入点。他们认为，当第一批PHB分散时，它们以某种方式“拉扯”了时空，改变了一些可以解释暗物质的东西。同样的过程可以产生更小的黑洞，这些黑洞具有一种奇怪的性质，叫做“色荷”。而且，这与暗物质有关。

“色荷”是夸克和胶子的一种特性，它最终会把它们粘在一起。可以把它想象成“超级充电”。凯撒和蒙萨尔维认为，一些非常早期的PHB具有与夸克和胶子相同的“超电荷”。如果这是真的，那么最早的超彩色PHBs将是一种全新的物质状态。我们再也看不到它们了，因为它们可能在产卵后的几分之一秒内就蒸发了。但是，它们的存在是必要的，特别是对于暗物质的形成。

然而，即使在它们短暂的生命周期内，最早的增压PHB也可能影响了一个关键的宇宙学转变：第一个原子核形成的时间。这些带彩色电荷的黑洞可能影响了核聚变的平衡。而且，他们可以用一种天文学家可能在未来的测量中发现的方式来做到这一点。这样的观察结果将令人信服地指出，原始黑洞是今天所有暗物质的根源。

早期的PHBs是由什么构成的?

如果这些PHB确实存在，它们是由什么构成的？与其他黑洞不同，没有太多证据表明有恒星或其他黑洞“诞生”了这些早期的黑洞。为了弄清楚这个问题，阿隆索-蒙萨尔维和凯撒做了一些探索。他们计算出PHB形成的“时代”恰好发生在宇宙大爆炸之后。“典型的”微观黑洞在这短暂的“一瞬间”形成。它们会像小行星一样大，像原子一样小。但是，他们也发现，一小群指数级小的黑洞形成了。它们的质量相当于一头犀牛，体积却比单个质子小得多。

这个过程可能在宇宙大爆炸后一秒左右开始。这给了所有这些PHB足够的时间来破坏平衡条件，当第一批原子核开始从夸克-胶子等离子体形成时，平衡条件是普遍存在的。超级带电的黑洞会迅速蒸发。这可能发生在第一个原子核开始形成的时候。“这些物体可能会留下一些令人兴奋的观测印记，”阿隆索-蒙萨尔维说。“他们可能已经改变了这个和那个的平衡，这是人们开始怀疑的事情。”

从等离子体到PHB再到暗物质

这些短命黑洞形成的背景是什么？夸克-胶子等离子体。并且，它应该有一个“颜色电荷”的分布。凯撒和阿隆索-蒙萨尔维确定了等离子体中可能坍塌形成PBH的区域的大小。事实证明，在当时形成的大多数典型黑洞中，不会有太多的色电荷。这是因为它们可能是通过吸收大量混合电荷的区域形成的。因此，它们不会被“增压”。

但最小的黑洞可能是高度有色的。它们将包含黑洞所允许的任何类型电荷的最大数量。而且，通过它们的形成，它们很可能产生了导致暗物质形成的最微小的变化。