用宇宙学家、物理学家和天文学家们的话说，人类所能看到的所有东西——恒星、行星、宇宙尘埃以及射线等，都无法解释宇宙运转的原理，而我们看不见的、不与光相互作用的东西，即暗物质，其存在的总量数倍于普通物质，似乎是研究者揭示宇宙原理的关键。

1970年代，美国天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）和W·肯特·福特（W. Kent Ford）通过观察螺旋星系边缘的恒星，证实了暗物质存在。他们指出，这些恒星移动速度太快，无法被星系的可见物质和引力束缚在一起，因此它们本应飞离彼此的。之所以仍聚一块儿，唯一解释就是大量看不见的物质束缚住了它们。

鲁宾的工作基于瑞士天文学家弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）在1930年代提出的假设，开启了学界对暗物质的追寻。自那以后，科学家不断尝试直接观察暗物质，甚至建造大型设备来探测它。但到目前为止，尚无成功案例。

在早期探索中，著名物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）假设暗物质可能隐藏于大爆炸过程中形成的黑洞，而黑洞正是他研究的主要对象。

已故物理学家斯蒂芬·霍金假设暗物质可能隐藏在大爆炸期间形成的黑洞中

眼下，一项新工作让霍金的理论重新成为关注焦点。他们揭示了原始黑洞的组成，而且似乎还发现了一种全新类型的奇异黑洞。

新研究作者之一戴维·凯泽（David Kaiser）说道：“这真是个令人惊喜的发现。我们利用了斯蒂芬·霍金关于黑洞的著名计算，尤其是黑洞辐射方面的关键结果。这些奇异黑洞——它们是我们解释暗物质过程中收获的副产品——是在解决暗物质问题时出现的。”

大爆炸后的10秒里

科学家对暗物质的存在做出过许多猜测，从未知粒子到额外维度。但霍金的黑洞理论最近才开始发挥作用。

另一位作者、研究生艾尔芭·阿隆索-蒙萨尔维（Elba Alonso-Monsalve）表示：“直到大约10年前，人们才真正认真对待这个问题。因为黑洞曾看起来非常难以捉摸，在20世纪初，人们认为它们只是数学趣事，而非物理现象。”

现在我们知道，几乎每个星系中心都存在一个黑洞；学界于2015年发现了由黑洞碰撞产生的爱因斯坦引力波，这一里程碑式发现清楚地表明，它们无处不在。

“实际上，宇宙充满了黑洞。研究者在所有他们预计会找到暗物质粒子的地方都作搜寻，却始终无所得。这并不是说暗物质非粒子，也不是说它肯定是黑洞——它可能是两者的结合。现在，学界开始更认真地审视作为暗物质候选者的黑洞。”

近期的其他研究也证实了霍金假说的正确性。阿隆索-蒙萨尔维和凯泽的工作则更进一步，如前文所述，两人探究了原始黑洞最初形成时发生的故事，并于科学期刊上报道新成果。

根据论文，这些原始黑洞必定出现在大爆炸后的前10秒内。“它出现得真的很早，比构成万物的粒子，即质子和中子形成的时刻还要早得多。”阿隆索-蒙萨尔维说道。

质子和中子再往下分，就是夸克以及在夸克之间传递夸克强相互作用的胶子。现在宇宙中不可能找到单独且自由的夸克和胶子，因为太冷了。“但在大爆炸早期，温度非常高时，单独且自由的夸克和胶子可以存在，因此原始黑洞可能通过吸收自由夸克和胶子而形成。”

这种形成方式使它们与科学家通常观察到的天体物理黑洞有根本区别，后者是恒星坍缩的结果，而且原始黑洞小得多，平均只有一颗小行星质量，凝结成一个原子的大小。但如果有足够数量的原始黑洞未在早期大爆炸中蒸发，并存活至今,它们或可解释大部分甚至全部暗物质的存在。

亘古的标记

新研究表明，在原始黑洞形成过程中，必定有另一种我们前所未见的黑洞作为副产品形成。这些黑洞甚至比原始黑洞更小，或许就一头犀牛的质量，并浓缩成比单个质子还小的体积。

这些微型黑洞,由于体积小，能够从夸克胶子处获得一种罕见而奇特的特性，即所谓的“色荷”（color charge）。根据凯泽说法，这是一种夸克和胶子独有的电荷状态，从未见于普通物质。

这种色荷使得它们在黑洞中显得独一无二，因为黑洞通常不带任何电荷。阿隆索-蒙萨尔维表示：“这些比质子小的黑洞必然也会作为原始黑洞形成的副产品而形成，但它们早已蒸发，我们看不到。”

但如果说，它们在大爆炸后10秒内仍存在，那么当质子和中子形成时，它们就可以通过改变两种粒子类型之间的平衡，留下可被我们观察的标记。

“质子和中子数量的平衡非常微妙，取决于当时宇宙中还存在其他什么物质。如果这些带色荷的黑洞依然存在，它们可能会改变质子和中子间的平衡（偏向其中一种），足以让我们在未来几年内测量到。”

凯泽表示，测量结果可能会来自地球上的望远镜或轨道卫星上的灵敏仪器，当然，还有其他方法用以证实奇异黑洞的存在。

黑洞群形成是个非常剧烈的过程，会给周围时空带来巨大的波动。这些波动会随宇宙历史推移而减弱，但不会减至零。下一代引力探测器可以捕捉到微小奇异黑洞的踪迹，并借助它们解释暗物质。”

暗物质的多种形式

上述成果对于当前正进行的暗物质探测实验工作意味着什么？

凯泽指出，存在奇异新粒子的想法仍然只是个有趣的假设。还有其他类型的大型实验（其中一些正在建设中）旨在寻找探测引力波的奇特方法。这些实验的确可能从原始黑洞非常剧烈的形成过程中获取到某些寄生信号。

阿隆索-蒙萨尔维表示，原始黑洞也有可能只是暗物质的一小部分。“它们未必都同一副模样。要知道暗物质总量是普通物质的5倍，而普通物质由大量不同粒子组成，那暗物质为什么就一定是某种单一类型的东西呢？”

天文学和物理学教授普里亚姆瓦达·纳塔拉詹（Priyamvada Natarajan）指出，凯泽等人的工作令人兴奋，他们提出了关于第一代黑洞形成的新机制。“今天宇宙中所有的氢和氦都是在它形成之初的三分钟内产生的，如果那时有足够多原始黑洞存在，黑洞肯定会对此过程产生影响，而这些影响可能是可探测的。”

资料来源：

Scientists may have found an answer to the mystery of dark matter. It involves an unexpected byproduct

来源：世界科学

编辑：雪影

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