内容摘要：奇異的黑洞可能是暗物質的副產品。來源：uux.cn人工智能生成的圖像（神秘的地球uux.cn）據麻省理工學院（JenniferChu）：從你桌子上的電腦到遙遠的恒星和星係，我們每看到一公斤物質，就有5

奇異的黑洞可能是暗物質的副產品。來源：uux.cn人工智能生成的圖像
（神秘的地球uux.cn）據麻省理工學院（Jennifer Chu）：從你桌子上的電腦到遙遠的恒星和星係，我們每看到一公斤物質，就有5公斤不可見的物質充斥著我們的周圍。這種“暗物質”是一種神秘的實體，它避開了所有形式的直接觀察，但通過對可見物體的無形拉動，讓人感覺到它的存在。
50年前，物理學家斯蒂芬·霍金提出了一個關於暗物質可能是什麽的想法：一個黑洞群體，它可能在宇宙大爆炸後不久形成。
這樣的“原始”黑洞不會是我們今天探測到的巨人，而是超致密物質的微觀區域，這些區域會在大爆炸後的前五分之一秒內形成，然後坍塌並分散在宇宙中，以可以解釋我們今天所知的暗物質的方式牽引周圍的時空。
現在，麻省理工學院的物理學家發現，這一原始過程也會產生一些意想不到的同伴：甚至更小的黑洞，具有前所未有的核物理性質，被稱為“色電荷”
這些最小的、“超級帶電”的黑洞本來是一種全新的物質狀態，它們很可能在誕生後的幾分之一秒就蒸發了。然而，它們仍然可能影響一個關鍵的宇宙學轉變：第一個原子核形成的時間。
物理學家們假設，帶顏色電荷的黑洞可能影響了聚變核的平衡，天文學家有朝一日可能會通過未來的測量來探測到這種平衡。這樣的觀測結果將令人信服地指出，原始黑洞是當今所有暗物質的根源。
麻省理工學院Germeshausen科學史教授兼物理學教授David Kaiser表示：“盡管這些短命的外來生物今天不存在，但它們可能會以今天微妙的信號形式影響宇宙曆史。”。“在所有暗物質都可以被黑洞解釋的想法中，這給了我們新的東西可以尋找。”
Kaiser和他的合著者、麻省理工學院研究生Elba Alonso Monsalve在《物理評論快報》雜誌上發表了他們的研究。
星星之前的時光
我們今天所知道和探測到的黑洞是恒星坍塌的產物，當一顆大質量恒星的中心坍塌形成一個密度如此之大的區域時，它可以彎曲時空，使任何東西——甚至光——都被困在其中。這樣的“天體物理”黑洞的質量可以是太陽的幾倍，也可以是數十億倍。
相比之下，“原始”黑洞可能要小得多，而且被認為是在恒星之前形成的。在宇宙甚至還沒有形成基本元素（更不用說恒星了）之前，科學家們就認為，超致密的原始物質可能已經堆積並坍塌，形成微觀黑洞，這些黑洞的密度可能足以將小行星的質量擠壓到一個原子那麽小的區域。這些散布在宇宙各處的微小、看不見的物體的引力可以解釋我們今天看不到的所有暗物質。
如果是這樣的話，那麽這些原始黑洞是由什麽組成的呢？這就是凱撒和阿隆索·蒙薩爾維在他們的新研究中提出的問題。
凱澤解釋道：“人們研究了早期宇宙產生過程中黑洞質量的分布，但從未將其與黑洞形成時落入黑洞的物質聯係起來。”。
超級充電犀牛
麻省理工學院的物理學家首先通過現有的理論來研究黑洞質量在早期宇宙中首次形成時的可能分布。
Alonso Monsalve說：“我們意識到，原始黑洞的形成時間和質量之間存在直接聯係。”。“這個時間窗口早得離譜。”
她和凱撒計算出，原始黑洞一定是在宇宙大爆炸後的前五分之一秒內形成的。這一瞬間會產生“典型”的微觀黑洞，其質量與小行星一樣大，與原子一樣小。它還將產生一小部分指數級較小的黑洞，質量相當於犀牛，大小遠小於單個質子。
這些原始黑洞是由什麽組成的？為此，他們著眼於探索早期宇宙組成的研究，特別是量子色動力學（QCD）理論——誇克和膠子如何相互作用的研究。
誇克和膠子是質子和中子的基本組成部分，它們是結合在一起形成元素周期表基本元素的基本粒子。大爆炸發生後，物理學家根據QCD估計，宇宙是一個由誇克和膠子組成的極熱等離子體，然後迅速冷卻並結合產生質子和中子。
研究人員發現，在前五分之一秒內，宇宙仍然是一個由尚未結合的自由誇克和膠子組成的湯。在這一時期形成的任何黑洞都會吞噬未結合的粒子，以及一種被稱為“色電荷”的奇異性質——一種隻有未結合的誇克和膠子才能攜帶的電荷狀態。
Alonso Monsalve說：“一旦我們發現這些黑洞是在誇克膠子等離子體中形成的，我們必須弄清楚的最重要的事情是，最終進入原始黑洞的物質團中含有多少色電荷？”。
利用QCD理論，他們計算出了早期高溫等離子體中本應存在的色電荷分布。然後，他們將其與一個區域的大小進行了比較，該區域將在前五分之一秒坍塌形成黑洞。事實證明，當時大多數典型的黑洞中都不會有太多的彩色電荷，因為它們是通過吸收大量混合電荷的區域而形成的，這些區域最終會形成“中性”電荷。
但最小的黑洞會充滿彩色電荷。事實上，根據基本物理定律，它們會包含黑洞所允許的最大電荷量。盡管這種“極端”黑洞已經被假設了幾十年，但直到現在，還沒有人發現在我們的宇宙中形成這種奇怪現象的現實過程。
超級帶電的黑洞會很快蒸發，但可能隻有在第一個原子核開始形成之後。科學家估計，這一過程大約在大爆炸後一秒鍾開始，這將給極端黑洞足夠的時間來破壞第一個原子團開始形成時的平衡條件。這種幹擾可能會影響這些最早原子核的形成方式，這可能會在某一天被觀察到。
Alonso Monsalve沉思道：“這些物體可能留下了一些令人興奮的觀測印記。”。“他們本可以改變這個與那個的平衡，這就是人們開始懷疑的事情。”