在我們熟悉的宇宙中，約85%的物質(zhì)是看不見的暗物質(zhì)。在宇宙早期形成的原初黑洞，被認為是完全基于已知物理學(xué)的暗物質(zhì)候選者之一。最近，中國科學(xué)院力學(xué)研究所等提出了一種全新的原初黑洞形成機制，為解開暗物質(zhì)之謎提供了新思路。

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宇宙早期湍流帶來新線索

傳統(tǒng)的原初黑洞形成機制大多依賴于宇宙暴脹期間特定條件下的密度擾動增強，隨著觀測數(shù)據(jù)的不斷積累，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原初宇宙的質(zhì)量被嚴格的限制在1017克—1024克范圍內(nèi)。這個范圍被稱為“小行星質(zhì)量”窗口。正是由于這個窗口，科學(xué)家不得不在研究其形成機制時，更為精細地調(diào)節(jié)暴脹模型的參數(shù)。

基于現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)，團隊將目光投向了早期宇宙中的磁流體動力學(xué)湍流現(xiàn)象。團隊推測，在宇宙年齡僅為秒的極早期，宇宙可能經(jīng)歷了一次重要的電弱相變，該過程產(chǎn)生了各種相變泡。

這些泡相互碰撞，劇烈擾動其周圍的原始等離子體，并產(chǎn)生超音速的湍流運動。由于早期宇宙中等離子體的粘度極低，這種湍流能夠持續(xù)一段時間，為原初黑洞的形成創(chuàng)造了理想條件。

團隊提出了一種原初宇宙形成的新機制。超音速湍流產(chǎn)生的激波會壓縮物質(zhì)，導(dǎo)致局部區(qū)域能量密度劇烈漲落。當密度漲落超過臨界閾值時，引力將占據(jù)主導(dǎo)地位，使得該區(qū)域發(fā)生引力坍縮，最終形成原初黑洞。

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新機制與現(xiàn)實高度契合

研究團隊通過這一機制，模擬出早期宇宙的原初黑洞。計算表明，這些原初黑洞的質(zhì)量恰好落在觀測允許的“小行星質(zhì)量”窗口內(nèi)，與當前各類觀測約束高度兼容。 該機制所需的湍流能量密度比例也與已有研究一致。

▲不同質(zhì)量的原初黑洞豐度所對應(yīng)的宇宙極早期湍流的能量密度

這項研究推進了人類對暗物質(zhì)本質(zhì)的理解，也揭示了早期宇宙中非線性流體動力學(xué)過程的重要性。未來，團隊將致力于完善原初黑洞形成的具體動力學(xué)過程，并進一步研究湍流特性對原初黑洞質(zhì)量分布的影響。隨著更多觀測數(shù)據(jù)的積累和理論研究的深入，人類正逐步接近解開暗物質(zhì)起源與本質(zhì)的謎團。

論文鏈接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/42/11/111101

來源：中國科學(xué)院力學(xué)研究所

責任編輯：宋同舟