來自邁阿密大學、耶魯大學和歐空局的天體物理學家們顛覆了教科書上的解釋，提出原生黑洞是宇宙中所有暗物質的來源。這個天體物理學家小組提出了一個關於宇宙如何形成的替代模型，他們認為所有的黑洞都是在宇宙大爆炸后瞬間產生的，並解釋了所有暗物質的來源。
該研究表明，黑洞自宇宙誕生之初就已經存在，這些原生黑洞可能是尚未解釋的暗物質的來源。如果通過本月發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡收集的數據證明是真的，這一發現可能會改變對兩個宇宙之謎的起源和性質的科學理解：暗物質和黑洞。
邁阿密大學物理學副教授、該研究的第一作者Nico Cappelluti說：“我們的研究預測，如果暗物質不是由未知粒子構成，而是由大爆炸期間形成的黑洞構成–那麼早期宇宙會是什麼樣子，正如斯蒂芬·霍金在20世紀70年代所建議的那樣。”
“這將有幾個重要的影響，”Cappelluti繼續說，他今年作為耶魯大學天文學和天體物理學中心獎的博士后研究員擴大了他在耶魯大學開始的研究。“首先，我們將不需要‘新物理學’來解釋暗物質。此外，這將有助於我們回答現代天體物理學中最引人注目的問題之一：早期宇宙中的超大質量黑洞怎麼會長得這麼大，這麼快？鑒於我們今天在現代宇宙中觀察到的機制，它們不會有足夠的時間來形成。這也將解決長期以來的一個謎團，即為什麼一個星系的質量總是與它中心的超大質量黑洞的質量成正比。”
從未被直接觀察到的暗物質被認為是宇宙中的大部分物質，並作為星系形成和發展的支架。另一方面，在大多數星系的中心可以找到的黑洞，已經被觀察到。在空間中的一個點，物質被緊緊地壓縮在一起，它們產生了強烈的引力。
由耶魯大學天文學和物理學教授Priyamvada Natarajan和歐空局（ESA）科學主任 Günther Hasinger共同撰寫的這項新研究表明，各種大小的所謂原生黑洞構成了宇宙中所有的暗物質。
“不同大小的黑洞仍然是一個謎，”Hasinger解釋說。“我們不明白超大質量黑洞如何能在宇宙存在以來的相對較短的時間內成長得如此巨大。”
他們的模型調整了霍金和物理學家的Bernard Carr首次提出的理論，他們認為在大爆炸后的最初幾分之一秒，宇宙密度的微小波動可能已經創造了一個具有額外質量的“塊狀”區域的起伏景觀。這些凹凸不平的區域會坍塌成黑洞。
這一理論沒有獲得科學上的支持，但是Cappelluti、Natarajan和Hasinger 認為，在稍作修改後，這一理論可能是有效的。他們的模型顯示，第一批恆星和星系將在早期宇宙中圍繞黑洞形成。他們還提出，原生黑洞將有能力通過吞噬其附近的氣體和恆星，或通過與其他黑洞合併而成長為超大質量黑洞。
Natarajan說：“如果原生黑洞確實存在，很可能是所有超大質量黑洞形成的‘種子’，包括銀河系中心的那個。我個人認為這個想法超級令人興奮的是，它如何優雅地統一了我工作的兩個真正具有挑戰性的問題–即探測暗物質的性質和黑洞的形成和增長–並一舉解決了它們。”
原生黑洞也可能解決另一個宇宙學難題：與X射線輻射同步的過量紅外輻射，這些輻射已從散布在宇宙中的遙遠、暗淡的源頭檢測到。研究作者說，成長中的原始黑洞將呈現“完全”相同的輻射特徵。
而且，最重要的是，原生黑洞的存在可能會在不久的將來得到證明或反駁，因為韋伯望遠鏡已經發射升空，歐空局領導的激光干涉空間天線（LISA）任務計劃在2030年代進行。
韋伯望遠鏡由美國宇航局、歐空局和加拿大航天局開發，以接替哈勃太空望遠鏡，它有望觀測到135億年前宇宙的“模樣”。如果暗物質是由原生黑洞組成的，那麼在早期宇宙中就會有更多的恆星和星系在它們周圍形成，這正是宇宙“時間機器”將能夠看到的情況。
Hasinger說：“如果第一批恆星和星系已經在所謂的‘黑暗時代’形成，韋伯應該能夠看到它們的證據。”
與此同時，LISA將能夠從原生黑洞的早期合併中獲取引力波信號。