古老黑洞或曾幸存于大爆炸前的宇宙时代
黑洞可能比大爆炸本身更古老吗？一项新研究探索了一种宇宙学模型，在该模型中，宇宙起源于早期的收缩阶段而非单一的开端。
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一种新的宇宙反弹模型表明，大爆炸前宇宙的遗迹至今可能仍然存在。
如果宇宙中一些最古老的天体实际上比大爆炸本身还要古老呢？
朴茨茅斯大学的一项新研究表明，古老的黑洞可能从我们所知的宇宙诞生之前的时代存活至今。
这些被称为宇宙化石的假设性遗迹，或许经历了剧烈的宇宙变迁，如今仍可能散布在整个宇宙中。
如果它们存在，可能有助于解开天文学最大的谜团之一：暗物质的身份——这种不可见物质似乎比普通物质更重，并塑造着星系的演化。
这项研究挑战了一切始于单一宇宙大爆炸的传统观点。
相反，它探索了一种反弹场景——宇宙曾先收缩，之后逆转成我们如今观测到的膨胀状态。
在这种图景下，一些结构可能在这一转变过程中幸存下来，携带着来自宇宙最早可观测光线之前的某个宇宙时代的信息。
挑战标准大爆炸图景
朴茨茅斯大学宇宙学与引力研究所及巴塞罗那空间科学研究所的这项研究的主要作者恩里克加斯塔尼亚加教授表示：近一个世纪以来，宇宙学家们将宇宙的历史追溯到一个被称为大爆炸的戏剧性时刻。
在标准模型中，空间和时间从约138亿年前一个极热、极密的状态中诞生，随后是数十亿年的宇宙膨胀和星系形成。
这个模型非常成功。
它解释了宇宙微波背景——早期宇宙遗留下来的微弱辐射——并准确预测了星系在广阔宇宙空间中的分布方式。
但物理学中一些最深奥的谜团仍未解开。
我们仍然不知道是什么引发了大爆炸，为什么宇宙始于如此特殊的状态，是什么导致了被称为暴胀的短暂快速膨胀，或者是什么看不见的暗物质——它的质量大约是普通物质的五倍。
我们的研究探索了一种可能，它或许能将这些谜题中的几个联系起来：宇宙或许根本不是从一次单一的大爆炸开始的，而是从一次模拟膨胀的宇宙反弹中诞生的，宇宙中一些最古老的天体可能作为它之前的遗迹留存了下来。
黑洞宇宙朴茨茅斯大学
根据研究人员的说法，一些黑洞可能在反弹之前就已形成，并在向膨胀宇宙的过渡中留存下来。
这些古老的天体可能在数十亿年后仍然影响着星系的结构和演化。
其他黑洞可能在反弹后不久形成。
在这种情况下，早期宇宙中异常巨大的密度涨落会产生密集的物质团，这些物质团在引力作用下更容易坍缩，从而帮助黑洞和其他大型宇宙结构在早期形成。
一个反弹而非有始的宇宙
在爱因斯坦的广义相对论中，大爆炸与奇点相关联，奇点是一种密度变得无限大且已知物理定律不再适用的状态。
许多物理学家认为这证明了当前理论无法完全描述宇宙的最初时刻。
一种被提出的替代方案是弹跳宇宙学。
在这个模型中，宇宙开始时是一团巨大的云，先收缩，然后逆转方向再次膨胀。
它没有达到无限的奇点，而是在反弹前达到了极高但有限的密度。
加斯塔尼亚加教授补充道：奇点通常表明我们的理论描述已达到其极限。
反弹为宇宙从收缩过渡到膨胀提供了一种无需新的奇异物理的方式。
解释宇宙暴胀、暗能量与暗物质
该团队认为，这种反弹现象可以从量子物理中自然产生。
在极高密度下，量子效应会产生压力，阻止物质被无限压缩，这一过程已知能稳定白矮星和中子星等致密天体，并重现暴胀膨胀阶段。
在这种新模型中，同种量子压力可能在整个宇宙的尺度上起作用。
随着收缩过程的推进，这种压力可能阻止坍缩并引发新的膨胀。
研究人员认为，这种机制或许还能解决两个重大的宇宙学谜题。
它可能有助于解释暴胀现象——早期宇宙快速且异常均匀的膨胀阶段。
它也可能为当今宇宙膨胀的加速现象提供见解，这种现象通常被归因于暗能量。
一个特别有趣的预测是，收缩阶段形成的一些结构可能在反弹过程中幸存了下来。
该团队的计算表明，直径大于约90米（295英尺）的致密天体能够穿过这一转变过程，并出现在膨胀的宇宙中。
潜在的遗迹包括引力波、密度涨落和古老的黑洞。
这些幸存的黑洞也可能与暗物质有关。
如果在反弹过程中形成了足够多的黑洞，它们可能占暗物质的很大一部分，甚至可能是全部。
早期宇宙中的线索
这个模型或许也有助于解释詹姆斯韦布空间望远镜近期观测到的早期宇宙中意外存在的大质量天体——这些天体常被称为小红点。
许多天文学家认为，这些天体与宇宙历史早期意外出现的快速增长的黑洞有关。
加斯塔尼亚加说：如果在反弹之后立即就存在超大质量黑洞，那么早期宇宙在形成第一批星系时就不需要从零开始了。
该理论提供了几种验证其预测的方法。
未来的观测可以搜索来自早期宇宙时代的遗留引力波，或者在宇宙微波背景中寻找能保存大爆炸前状态证据的细微特征。
验证这些想法仍有大量工作要做，加斯塔尼亚加补充道。
但如果宇宙确实经历过一次反弹，那么如今塑造星系的暗结构可能是大爆炸之前某个宇宙纪元的遗迹。
《黑洞、引力波与暗物质》，恩里克加斯塔尼亚加著，2024年10月18日，《物理评论D》。
DOI：10.1103pr4p6m49
相关知识
黑洞是宇宙中引力极强的天体，由大质量恒星耗尽核燃料后坍缩形成。
它的引力强大到连光都无法逃脱，边界被称为事件视界。
虽然无法直接观测其内部，但可通过周围物质形成的吸积盘及辐射等间接探测其存在，是宇宙中最神秘的天体之一。
BY: University of Portsmouth
FY: AI
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