根据一项探索一项正在卷土重来的古老理论的新研究，暗物质可能由古老的黑洞组成。在未来一年，NASA 最近发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测可能会暗示许多黑洞是在宇宙诞生期间形成的。这些观测甚至可能解释暗物质的引力效应。
许多粒子物理模型使用所谓的“弱相互作用大质量粒子”来解释暗物质，这些粒子是根据理论推测出的，又重又慢，仅通过引力作用于普通物质。但本杰明·莱曼（Benjamin Lehmann）表示，这种解释“越来越与最近的实验数据产生矛盾”。他是一名物理学家，也是加州大学圣克鲁兹分校的博士候选人，研究暗物质和粒子物理，并且没有参与这项研究。因此，粒子物理学界一直渴望探索暗物质的其他候选者——包括在新模型中重新审视过去的理论。
在 20 世纪 70 年代初，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）预测，在极其炽热、紧凑的早期宇宙中，某些高密度区域可能已经形成了第一批黑洞。在大爆炸初期形成黑洞（被称为原初黑洞）依赖于一个关键事实：宇宙的大尺度结构是宇宙大爆炸后片刻微小涨落的结果。
根据这项理论，这些涨落区域会达到临界密度，为形成黑洞做好准备，但周围的极端高温不会让它们瞬间坍塌。欧洲空间局（European Space Agency）的科学主管、X 射线天文学专家兼即将发表在《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）上的新研究的作者君特·哈辛格（Günter Hasinger）表示，粒子非常炽热，“像疯了一样飞速运动”，直到宇宙膨胀并冷却到足以让它们坍塌成黑洞，否则它们无法坍塌。
哈辛格说，这种坍塌只有在被称为夸克的的基元粒子能够聚集形成质子时才会发生，而这将在宇宙诞生仅几分之一秒后就开始。
领导这项研究的迈阿密大学（University of Miami）天体物理学家尼科·卡佩鲁蒂（Nico Cappelluti）说，该团队着手研究我们今天看到的宇宙是否能通过“这种新的宇宙学”——即原初黑洞——来创造。他们的模型发现，一个以原初黑洞作为暗物质的宇宙，其模样与我们现在的宇宙非常相似。
莱曼说：“原初黑洞和暗物质并非互斥。”“原初黑洞是暗物质的一种可能形式。”他说，这个模型能够检验如此多的科学难题是惊人的，而且该研究的方法非常详尽。
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该团队的模型预测，恒星在大约 5000 万年后形成——这比标准模型预测的 3 亿年要早得多。卡佩鲁蒂说，科学家们或许可以通过仔细观察宇宙遥远而古老的区域来解决这一差异。
詹姆斯·韦伯望远镜旨在观测 135 亿年前的信号，它可能成为连接霍金几十年前的设想和暗物质的桥梁。哈辛格说，霍金提出原初黑洞的时候，研究人员“还没有真正认识到其规模”。他们认为形成的黑洞会非常小，因此后来的科学家们一直在寻找小黑洞产生的伽马射线。当他们没有找到时，大多数研究人员就将这一想法搁置了几十年。
直到后来，科学家们才意识到原初黑洞可以存在于各种尺寸，包括重得多的黑洞。哈辛格说，在首次探测到引力波之后，原初黑洞的说法也获得了很大关注，因为这些引力波表明黑洞比天文学家预期的要重。
卡佩鲁蒂说，即使是当今最好的望远镜，科学家们对早期宇宙的认识仍然存在“巨大的鸿沟”。天文学家可以观测到宇宙最近 130 亿年的历史，但宇宙大约有 140 亿年的历史。他表示，这缺失的十亿年充满了未解之谜，例如我们如何拥有如此巨大的黑洞，其质量是太阳的数十亿倍。以目前研究人员对物理学的理解，很难解释这些超大质量黑洞的形成。
哈辛格确信，詹姆斯·韦伯望远镜将能够看到恒星（如果它们存在的话）在所谓的“深场”区域，也就是哈勃太空望远镜首次发现大量最古老星系的黑暗区域。如果发生这种情况，很可能在观测站开始运行后的几个月内就会实现。
卡佩鲁蒂说，詹姆斯·韦伯望远镜将“打开一扇窗”，通往一个遥远的时代。如果它发现早期星系的数量比预测的多得多，它们的数量和属性将是判断原初黑洞是否存在的重要指标。但是，卡佩鲁蒂说，“确凿的证据”很可能将是未来探测到来自原初黑洞的引力波。
莱曼认为，詹姆斯·韦伯望远镜“很有可能”能够检验作者的模型。但是，他说，他认为“这并不能完全解决暗物质是否由原初黑洞组成的疑问”。
哈辛格说，科学家们通常不会试图证明自己的理论是正确的，他们只会提出一个理论，然后试图“推翻它”。一个理论遭受的驳斥越多，它就越坚实。如果无法被推翻，那么这个理论就能得以保留——至少要等到下一代实验和发现。
无论该团队的理论是否被推翻，即将到来的观测都可能成为搜寻原初黑洞的一个重要里程碑。哈辛格说，如果科学家们在韦伯望远镜最深入的观测中“看不到标准模型有丝毫变化”，“那么我们就麻烦了。”
更正，2022 年 1 月 7 日：本文之前的版本曾表示，古代超大质量黑洞的质量将是太阳的数百万倍。实际上，它们的质量将是太阳的数十亿倍。
