在我们熟悉的宇宙中，约85%的物质是看不见的暗物质。在宇宙早期形成的原初黑洞，被认为是完全基于已知物理学的暗物质候选者之一。最近，中国科学院力学研究所等提出了一种全新的原初黑洞形成机制，为解开暗物质之谜提供了新思路。
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宇宙早期湍流带来新线索
传统的原初黑洞形成机制大多依赖于宇宙暴胀期间特定条件下的密度扰动增强，随着观测数据的不断积累，科学家发现原初宇宙的质量被严格的限制在1017克—1024克范围内。这个范围被称为“小行星质量”窗口。正是由于这个窗口，科学家不得不在研究其形成机制时，更为精细地调节暴胀模型的参数。
基于现有观测数据，团队将目光投向了早期宇宙中的磁流体动力学湍流现象。团队推测，在宇宙年龄仅为秒的极早期，宇宙可能经历了一次重要的电弱相变，该过程产生了各种相变泡。
这些泡相互碰撞，剧烈扰动其周围的原始等离子体，并产生超音速的湍流运动。由于早期宇宙中等离子体的粘度极低，这种湍流能够持续一段时间，为原初黑洞的形成创造了理想条件。
团队提出了一种原初宇宙形成的新机制。超音速湍流产生的激波会压缩物质，导致局部区域能量密度剧烈涨落。当密度涨落超过临界阈值时，引力将占据主导地位，使得该区域发生引力坍缩，最终形成原初黑洞。
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新机制与现实高度契合
研究团队通过这一机制，模拟出早期宇宙的原初黑洞。计算表明，这些原初黑洞的质量恰好落在观测允许的“小行星质量”窗口内，与当前各类观测约束高度兼容。 该机制所需的湍流能量密度比例也与已有研究一致。
▲不同质量的原初黑洞丰度所对应的宇宙极早期湍流的能量密度
这项研究推进了人类对暗物质本质的理解，也揭示了早期宇宙中非线性流体动力学过程的重要性。未来，团队将致力于完善原初黑洞形成的具体动力学过程，并进一步研究湍流特性对原初黑洞质量分布的影响。随着更多观测数据的积累和理论研究的深入，人类正逐步接近解开暗物质起源与本质的谜团。
论文链接：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/42/11/111101
来源：中国科学院力学研究所
责任编辑：宋同舟
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