對于我們能看到的每一公斤物質,無論是你桌上的電腦，還是遙遠的恒星和星系，都有5公斤不可見的物質滲透在我們的周圍。這種“暗物質”是一種神秘的存在，它規避了所有形式的直接觀測，然而卻通過它對可見物體的無形牽引力讓我們感受到它的存在。

五十年前，物理學家斯蒂芬·霍金提出了一個關于暗物質可能是什么的想法：一個黑洞群體，它們可能在大爆炸后不久就形成了。這樣的“原始”黑洞不會是我們今天探測到的巨人，而是微觀區域的超密物質，它們會在大爆炸后的第一枚萬億分之一秒形成，然后崩潰并散布在宇宙中，以一種可以解釋我們今天所知的暗物質的方式牽引周圍的時空。

現在，麻省理工學院的物理學家發現，這個原始過程也會產生一些意想不到的伴侶：更小的黑洞，它們擁有前所未有的稱為“色荷”的核物理屬性的數量。

這些最小的，“超負荷”的黑洞將是一種全新的物質狀態，它們可能在誕生后不久的一小部分秒內蒸發。然而，它們仍可能影響了一個關鍵的宇宙學轉變：第一次原子核被鍛造的時候。物理學家假設，帶色荷的黑洞可能影響了融合核的平衡，在一種天文學家將來可能通過未來測量檢測到的方式。這樣的觀測將有說服力地指向原始黑洞作為今天所有暗物質的根源。“即使這些短暫存在的，奇異的生物今天不在這里，它們也可能以今天可以顯現出微妙信號的方式影響了宇宙歷史，”麻省理工學院科學史Germeshausen教授兼物理學教授大衛·凱撒說。“在所有暗物質都可以由黑洞來解釋的想法中，這為我們提供了新的尋找目標。”

在恒星之前的時間 我們今天知道并探測到的黑洞是恒星坍縮的產物，當一個巨大恒星的中心向內塌陷形成如此密集的區域，它可以彎曲時空，以至于任何東西，甚至是光都被困在其中。這樣的黑洞可以從太陽質量的幾倍到數十億倍不等。

相比之下，原始黑洞可以更小，并且被認為在恒星之前形成。在宇宙甚至還沒有形成基本元素之前，更不用說恒星了，科學家們相信，超密的原始物質可能已經積累并崩潰形成了微觀黑洞，這些黑洞可能如此密集，以至于將小行星的質量壓縮到一個原子大小的區域。這些散布在宇宙中的微小、不可見物體的引力可以解釋我們今天看不見的所有暗物質。如果情況確實如此，那么這些原始黑洞是由什么構成的呢？

凱撒解釋說“人們已經研究了在早期宇宙生產期間黑洞質量的分布，但從未將其與當時形成黑洞時落入其中的物質種類聯系起來。”

麻省理工學院的物理學家首先通過現有理論查看了早期宇宙中黑洞形成時可能的質量分布。

“我們意識到，原始黑洞的形成時間和形成質量之間存在直接相關性，”阿隆索-蒙薩爾韋說。“而那個時間窗口是極其早的。”

她和凱撒計算出，原始黑洞必須在大爆炸后的第一枚萬億分之一秒內形成。這個瞬間將產生“典型”的微觀黑洞，它們像小行星一樣重，像原子一樣小。它還會產生一小部分指數級更小的黑洞，質量相當于一頭犀牛，大小遠小于單個質子。這些原始黑洞是由什么構成的呢？為此，他們查閱了研究早期宇宙組成的研究，特別是研究夸克和膠子如何相互作用的量子色動力學理論。

夸克和膠子是質子和中子的基本構建塊——基本粒子，它們結合在一起形成了周期表的基本元素。在大爆炸后的瞬間，物理學家估計，根據QCD，宇宙是一個極其熱的夸克和膠子等離子體，然后迅速冷卻并結合產生質子和中子。

研究人員發現，在第一萬億分之一秒內，宇宙仍然是一個自由夸克和膠子的湯，這些粒子尚未結合。在這個時間形成的任何黑洞都會吞噬未結合的粒子，以及一個稱為“色荷”的奇異屬性——只有未結合的夸克和膠子攜帶的狀態。

“一旦我們弄清楚這些黑洞在夸克-膠子等離子體中形成，我們必須弄清楚的最重要的事情是，將最終進入原始黑洞的物質團塊中含有多少色荷？”阿隆索-蒙薩爾韋說。利用QCD理論，他們計算了早期熱等離子體中應該存在的色荷分布。然后他們將其與會在第一萬億分之一秒內崩潰形成黑洞的區域大小進行了比較。結果發現，當時大多數典型黑洞中不會有太多色荷，因為它們會通過吸收大量具有混合電荷的區域，最終加起來是一個“中性”電荷。

但最小的黑洞將充滿色荷。事實上，它們將包含根據物理的基本定律，黑洞所允許的任何類型電荷的最大量。盡管這樣的“極端”黑洞已經被假設了幾十年，但直到現在，沒有人發現一個現實的過程，這些奇異物體實際上可以在我們的宇宙中形成。

倫敦瑪麗女王大學的教授伯納德·卡爾是研究原始黑洞主題的專家，他首次與斯蒂芬·霍金一起研究這個主題，他將這項新工作描述為“令人興奮”。沒有參與這項研究的卡爾說，這項工作“表明，在早期宇宙中，一小部分可以進入具有巨大色荷（至少暫時）的對象，比以往QCD研究中確定的要大得多”。

超負荷黑洞會迅速蒸發，但可能只有在第一個原子核開始形成之后。科學家估計這個過程始于大爆炸后大約一秒鐘，這將給極端黑洞足夠的時間來破壞第一個核開始形成時盛行的平衡條件。這種干擾可能會以某種方式影響那些最早的核的形成，這些方式可能有一天會被觀察到。

“這些對象可能留下了一些令人興奮的觀測印記，”阿隆索-蒙薩爾韋沉思道。“它們可能改變了這個與那個的平衡，這是人們可以開始思考的那種事情。”