世界不思議

比原初黑洞更小的「犀牛質量黑洞」,大爆炸後 1 秒鐘就形成並消失


大爆炸後最初幾分之一秒內產生的微小原初黑洞,只能解釋一小部分暗物質,最近麻省理工學院物理學家提出,大爆炸後最初十億分之一秒內,宇宙可能還產生帶有大量核電荷的犀牛質量黑洞,它們短短 1 秒鐘便形成並蒸發消失,可能影響第一個原子核形成的時間。

從眼前的電腦到遙遠恆星、星系,我們每看到 1 公斤物質,就有 5 公斤看不見的物質遍布在周圍,這些神秘暗物質雖然也是實體,卻逃開所有直接觀察方法,只透過對可見物體的無形拉力讓人感受其存在。

50 年前,物理學家史蒂芬‧霍金提出暗物質有一部分來自大爆炸後不久就形成的原初黑洞。這些黑洞不是科學家如今探測的那些巨大黑洞,而是直接形成於宇宙暴漲時期超緻密物質區域,坍塌後散布在整個宇宙,牽引著時空暗物質。

現在,麻省理工學院物理學家團隊發現大爆炸產生原初黑洞的同時,似乎還產生其他更小黑洞,後者還具有稱為「色荷」的奇異核物理特性。

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在最初十億分之一秒內,宇宙仍充滿尚未結合的自由誇克與膠子,此時形成的任何黑洞都會吞噬不受束縛的粒子,以及被稱為色荷(color charge)的奇異特性──只有未結合的誇克和膠子才帶有的電荷狀態。

研究人員表示,這些超小黑洞一定於大爆炸後十億分之一秒內的誇克-膠子湯形成,質量僅相當於一隻犀牛,尺寸更遠小於單一質子;透過 QCD 理論計算,最小黑洞可能充滿色荷。事實上,根據基本物理定律,它們能包含一個黑洞允許最大數量的任何類型電荷,也就是說,早期宇宙有一小部分進入了這些帶大量色荷的物體。

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這些色荷黑洞很快便蒸發消失,但仍有充足時間破壞宇宙第一個原子核形成時的平衡條件,而這種影響質子、中子分布的干擾過程,會在宇宙元素豐度中留下微妙痕跡,未來有天或能被科學家觀察到。

新論文發表在《物理評論快報》(PHYSICAL REVIEW LETTERS)。

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