奇异黑洞可能是暗物质的副产品

对于我们能看到的每一公斤物质,无论是你桌上的电脑，还是遥远的恒星和星系，都有5公斤不可见的物质渗透在我们的周围。这种“暗物质”是一种神秘的存在，它规避了所有形式的直接观测，然而却通过它对可见物体的无形牵引力让我们感受到它的存在。

五十年前，物理学家斯蒂芬·霍金提出了一个关于暗物质可能是什么的想法：一个黑洞群体，它们可能在大爆炸后不久就形成了。这样的“原始”黑洞不会是我们今天探测到的巨人，而是微观区域的超密物质，它们会在大爆炸后的第一枚万亿分之一秒形成，然后崩溃并散布在宇宙中，以一种可以解释我们今天所知的暗物质的方式牵引周围的时空。

现在，麻省理工学院的物理学家发现，这个原始过程也会产生一些意想不到的伴侣：更小的黑洞，它们拥有前所未有的称为“色荷”的核物理属性的数量。

这些最小的，“超负荷”的黑洞将是一种全新的物质状态，它们可能在诞生后不久的一小部分秒内蒸发。然而，它们仍可能影响了一个关键的宇宙学转变：第一次原子核被锻造的时候。物理学家假设，带色荷的黑洞可能影响了融合核的平衡，在一种天文学家将来可能通过未来测量检测到的方式。这样的观测将有说服力地指向原始黑洞作为今天所有暗物质的根源。“即使这些短暂存在的，奇异的生物今天不在这里，它们也可能以今天可以显现出微妙信号的方式影响了宇宙历史，”麻省理工学院科学史Germeshausen教授兼物理学教授大卫·凯撒说。“在所有暗物质都可以由黑洞来解释的想法中，这为我们提供了新的寻找目标。”

在恒星之前的时间我们今天知道并探测到的黑洞是恒星坍缩的产物，当一个巨大恒星的中心向内塌陷形成如此密集的区域，它可以弯曲时空，以至于任何东西，甚至是光都被困在其中。这样的黑洞可以从太阳质量的几倍到数十亿倍不等。

相比之下，原始黑洞可以更小，并且被认为在恒星之前形成。在宇宙甚至还没有形成基本元素之前，更不用说恒星了，科学家们相信，超密的原始物质可能已经积累并崩溃形成了微观黑洞，这些黑洞可能如此密集，以至于将小行星的质量压缩到一个原子大小的区域。这些散布在宇宙中的微小、不可见物体的引力可以解释我们今天看不见的所有暗物质。如果情况确实如此，那么这些原始黑洞是由什么构成的呢？

凯撒解释说“人们已经研究了在早期宇宙生产期间黑洞质量的分布，但从未将其与当时形成黑洞时落入其中的物质种类联系起来。”

麻省理工学院的物理学家首先通过现有理论查看了早期宇宙中黑洞形成时可能的质量分布。

“我们意识到，原始黑洞的形成时间和形成质量之间存在直接相关性，”阿隆索-蒙萨尔韦说。“而那个时间窗口是极其早的。”

她和凯撒计算出，原始黑洞必须在大爆炸后的第一枚万亿分之一秒内形成。这个瞬间将产生“典型”的微观黑洞，它们像小行星一样重，像原子一样小。它还会产生一小部分指数级更小的黑洞，质量相当于一头犀牛，大小远小于单个质子。这些原始黑洞是由什么构成的呢？为此，他们查阅了研究早期宇宙组成的研究，特别是研究夸克和胶子如何相互作用的量子色动力学理论。

夸克和胶子是质子和中子的基本构建块——基本粒子，它们结合在一起形成了周期表的基本元素。在大爆炸后的瞬间，物理学家估计，根据QCD，宇宙是一个极其热的夸克和胶子等离子体，然后迅速冷却并结合产生质子和中子。

研究人员发现，在第一万亿分之一秒内，宇宙仍然是一个自由夸克和胶子的汤，这些粒子尚未结合。在这个时间形成的任何黑洞都会吞噬未结合的粒子，以及一个称为“色荷”的奇异属性——只有未结合的夸克和胶子携带的状态。

“一旦我们弄清楚这些黑洞在夸克-胶子等离子体中形成，我们必须弄清楚的最重要的事情是，将最终进入原始黑洞的物质团块中含有多少色荷？”阿隆索-蒙萨尔韦说。利用QCD理论，他们计算了早期热等离子体中应该存在的色荷分布。然后他们将其与会在第一万亿分之一秒内崩溃形成黑洞的区域大小进行了比较。结果发现，当时大多数典型黑洞中不会有太多色荷，因为它们会通过吸收大量具有混合电荷的区域，最终加起来是一个“中性”电荷。

但最小的黑洞将充满色荷。事实上，它们将包含根据物理的基本定律，黑洞所允许的任何类型电荷的最大量。尽管这样的“极端”黑洞已经被假设了几十年，但直到现在，没有人发现一个现实的过程，这些奇异物体实际上可以在我们的宇宙中形成。

伦敦玛丽女王大学的教授伯纳德·卡尔是研究原始黑洞主题的专家，他首次与斯蒂芬·霍金一起研究这个主题，他将这项新工作描述为“令人兴奋”。没有参与这项研究的卡尔说，这项工作“表明，在早期宇宙中，一小部分可以进入具有巨大色荷（至少暂时）的对象，比以往QCD研究中确定的要大得多”。

超负荷黑洞会迅速蒸发，但可能只有在第一个原子核开始形成之后。科学家估计这个过程始于大爆炸后大约一秒钟，这将给极端黑洞足够的时间来破坏第一个核开始形成时盛行的平衡条件。这种干扰可能会以某种方式影响那些最早的核的形成，这些方式可能有一天会被观察到。

“这些对象可能留下了一些令人兴奋的观测印记，”阿隆索-蒙萨尔韦沉思道。“它们可能改变了这个与那个的平衡，这是人们可以开始思考的那种事情。”