奇异的黑洞可能是暗物质的副产品
奇异的黑洞可能是暗物质的副产品。来源：uux.cn人工智能生成的图像
（神秘的地球uux.cn）据麻省理工学院（Jennifer Chu）：从你桌子上的电脑到遥远的恒星和星系，我们每看到一公斤物质，就有5公斤不可见的物质充斥着我们的周围。这种“暗物质”是一种神秘的实体，它避开了所有形式的直接观察，但通过对可见物体的无形拉动，让人感觉到它的存在。
50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，它可能在宇宙大爆炸后不久形成。
这样的“原始”黑洞不会是我们今天探测到的巨人，而是超致密物质的微观区域，这些区域会在大爆炸后的前五分之一秒内形成，然后坍塌并分散在宇宙中，以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，这一原始过程也会产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质，被称为“色电荷”
这些最小的、“超级带电”的黑洞本来是一种全新的物质状态，它们很可能在诞生后的几分之一秒就蒸发了。然而，它们仍然可能影响一个关键的宇宙学转变：第一个原子核形成的时间。
物理学家们假设，带颜色电荷的黑洞可能影响了聚变核的平衡，天文学家有朝一日可能会通过未来的测量来探测到这种平衡。这样的观测结果将令人信服地指出，原始黑洞是当今所有暗物质的根源。
麻省理工学院Germeshausen科学史教授兼物理学教授David Kaiser表示：“尽管这些短命的外来生物今天不存在，但它们可能会以今天微妙的信号形式影响宇宙历史。”。“在所有暗物质都可以被黑洞解释的想法中，这给了我们新的东西可以寻找。”
Kaiser和他的合著者、麻省理工学院研究生Elba Alonso Monsalve在《物理评论快报》杂志上发表了他们的研究。
星星之前的时光
我们今天所知道和探测到的黑洞是恒星坍塌的产物，当一颗大质量恒星的中心坍塌形成一个密度如此之大的区域时，它可以弯曲时空，使任何东西——甚至光——都被困在其中。这样的“天体物理”黑洞的质量可以是太阳的几倍，也可以是数十亿倍。
相比之下，“原始”黑洞可能要小得多，而且被认为是在恒星之前形成的。在宇宙甚至还没有形成基本元素（更不用说恒星了）之前，科学家们就认为，超致密的原始物质可能已经堆积并坍塌，形成微观黑洞，这些黑洞的密度可能足以将小行星的质量挤压到一个原子那么小的区域。这些散布在宇宙各处的微小、看不见的物体的引力可以解释我们今天看不到的所有暗物质。
如果是这样的话，那么这些原始黑洞是由什么组成的呢？这就是凯撒和阿隆索·蒙萨尔维在他们的新研究中提出的问题。
凯泽解释道：“人们研究了早期宇宙产生过程中黑洞质量的分布，但从未将其与黑洞形成时落入黑洞的物质联系起来。”。
超级充电犀牛
麻省理工学院的物理学家首先通过现有的理论来研究黑洞质量在早期宇宙中首次形成时的可能分布。
Alonso Monsalve说：“我们意识到，原始黑洞的形成时间和质量之间存在直接联系。”。“这个时间窗口早得离谱。”
她和凯撒计算出，原始黑洞一定是在宇宙大爆炸后的前五分之一秒内形成的。这一瞬间会产生“典型”的微观黑洞，其质量与小行星一样大，与原子一样小。它还将产生一小部分指数级较小的黑洞，质量相当于犀牛，大小远小于单个质子。
这些原始黑洞是由什么组成的？为此，他们着眼于探索早期宇宙组成的研究，特别是量子色动力学（QCD）理论——夸克和胶子如何相互作用的研究。
夸克和胶子是质子和中子的基本组成部分，它们是结合在一起形成元素周期表基本元素的基本粒子。大爆炸发生后，物理学家根据QCD估计，宇宙是一个由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，在前五分之一秒内，宇宙仍然是一个由尚未结合的自由夸克和胶子组成的汤。在这一时期形成的任何黑洞都会吞噬未结合的粒子，以及一种被称为“色电荷”的奇异性质——一种只有未结合的夸克和胶子才能携带的电荷状态。
Alonso Monsalve说：“一旦我们发现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，最终进入原始黑洞的物质团中含有多少色电荷？”。
利用QCD理论，他们计算出了早期高温等离子体中本应存在的色电荷分布。然后，他们将其与一个区域的大小进行了比较，该区域将在前五分之一秒坍塌形成黑洞。事实证明，当时大多数典型的黑洞中都不会有太多的彩色电荷，因为它们是通过吸收大量混合电荷的区域而形成的，这些区域最终会形成“中性”电荷。
但最小的黑洞会充满彩色电荷。事实上，根据基本物理定律，它们会包含黑洞所允许的最大电荷量。尽管这种“极端”黑洞已经被假设了几十年，但直到现在，还没有人发现在我们的宇宙中形成这种奇怪现象的现实过程。
超级带电的黑洞会很快蒸发，但可能只有在第一个原子核开始形成之后。科学家估计，这一过程大约在大爆炸后一秒钟开始，这将给极端黑洞足够的时间来破坏第一个原子团开始形成时的平衡条件。这种干扰可能会影响这些最早原子核的形成方式，这可能会在某一天被观察到。
Alonso Monsalve沉思道：“这些物体可能留下了一些令人兴奋的观测印记。”。“他们本可以改变这个与那个的平衡，这就是人们开始怀疑的事情。”
