在大爆炸后的第一瞬间产生的原始黑洞——比大头针还小的黑洞和覆盖数十亿英里的超大质量黑洞——可能是宇宙中所有暗物质的来源。
这是由耶鲁大学、迈阿密大学和欧洲航天局(ESA)的天体物理学家创建的早期宇宙新模型所暗示的。如果被即将发射的詹姆斯韦伯太空望远镜的数据证实，这一发现将改变科学家们对暗物质和黑洞起源和本质的理解。
暗物质——从未被直接观测到——被认为构成了宇宙中的大部分物质，并充当着星系形成和发展的无形脚手架。物理学家花了数年时间来测试各种暗物质候选粒子，包括假想粒子，如无菌中微子、弱相互作用大质量粒子(wimp)和轴子。
另一方面，黑洞已经被观测到。黑洞是空间中的一个点，在这里物质被紧密地压缩，从而产生强烈的引力。连光都无法抵抗它的拉力。大多数星系的中心都有黑洞。
这项新研究被《天体物理学杂志》接受发表，它追溯到物理学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和伯纳德·卡尔(Bernard Carr)在20世纪70年代首次提出的一个理论。当时，霍金和卡尔认为，在大爆炸后的最初几分之一秒，宇宙密度的微小波动可能创造了一个起伏的景观，其中有“块状”区域，有额外的质量。这些块状区域会坍缩成黑洞。
尽管这一理论没有在更广泛的科学界获得支持，但这项新研究表明，如果稍加修改，它终究还是有解释力的。
这篇论文的理论家、耶鲁大学天文学和物理学教授普里亚姆瓦达·纳塔拉简(Priyamvada Natarajan)说，如果大多数原始黑洞“诞生”时的大小大约是地球太阳质量的1.4倍，它们就有可能解释所有暗物质的存在。
Natarajan和她的同事说，他们的新模型表明，第一批恒星和星系可能是在早期宇宙的黑洞周围形成的。她还说，原始黑洞可能有能力通过吞噬附近的气体和恒星，或与其他黑洞合并而成长为超大质量黑洞。
“原始黑洞，如果它们确实存在，很可能是所有超大质量黑洞形成的种子，包括银河系中心的那个黑洞，”纳塔拉简说。
她补充说:“我个人对这个想法感到非常兴奋的是，它如何优雅地结合了我正在研究的两个真正具有挑战性的问题——探索暗物质的本质和黑洞的形成和增长——并一举解决了它们。”
詹姆斯·韦伯望远镜的任务将是找到在早期宇宙中形成的第一批星系，并观察恒星形成行星系。
这项新研究的第一作者是尼科·卡佩鲁蒂(Nico cappeluti)，他曾是耶鲁大学天文学和天体物理学奖(Yale Center for Astronomy & Astrophysics Prize)的博士后研究员，现在是迈阿密大学(University of Miami)的物理学助理教授。Günther Hasinger, ESA的科学主任，是这项研究的第二作者。
卡佩鲁蒂说:“我们的研究表明，无需引入新的粒子或新的物理学，我们就可以解决从暗物质本身的性质到超大质量黑洞起源的现代宇宙学之谜。”
原始黑洞还可能解决另一个宇宙学难题:从遥远、昏暗的宇宙中探测到的与x射线同步的过量红外线辐射。Natarajan和她的同事说，不断增长的原始黑洞会呈现出“完全”相同的辐射特征。
最重要的是，原始黑洞的存在可以在不久的将来被证明或否定，这要归功于詹姆斯·韦伯太空望远镜和欧洲航天局在本世纪30年代宣布的激光干涉仪太空天线(LISA)任务。
如果暗物质是由原始黑洞组成的，那么在早期宇宙中，更多的恒星和星系就会在它们周围形成——这正是詹姆斯·韦伯望远镜能够看到的时代。与此同时，LISA将能够接收来自原始黑洞早期合并的引力波信号。
“如果第一批恒星和星系已经在所谓的‘黑暗时代’形成，韦伯应该能够看到它们的证据，”哈辛格说。
纳塔拉简补充说，“深入探索这个想法是不可抗拒的，因为知道它有可能很快被验证。”
