追溯宇宙“创世纪” ：科学家深挖大爆炸后 1 秒内发生的事情

科技媒体 eurekalert 于 11 月 10 日发布博文，报道称一项发表于《物理评论 D》的新研究提出，在宇宙大爆炸后不足一秒，远早于原子元素形成之前，宇宙可能已经是一个充满复杂物理现象的舞台。

该研究由意大利高等研究院（SISSA）的研究团队主导，联合意大利国家核物理研究所（INFN）、物理研究所（IFPU）和华沙大学合作完成。

该研究基于一个宇宙学模型假设：宇宙在极早期经历了一个短暂的“早期物质主导时代”（Early Matter-Dominated Era，EMDE）。研究团队据此推断，在此期间，粒子可以凝聚形成物质晕（用于描述由暗物质和星系组成的大型结构），并因相互作用引发引力热坍缩，最终催生出宇宙中第一批黑洞、玻色子星等奇异天体结构。

在原初核合成（宇宙诞生后 10 秒至 20 分钟内形成首批原子核的过程）之前，存在一个很大程度上未被探索的时期。新理论认为，“早期物质主导时代”正好填补了这一空白。

在这种场景下，物质晕能够自然形成。如果构成物质晕的粒子间存在相互作用，那么这种作用力便会触发一种名为“引力热坍缩”（Gravothermal Collapse）的剧烈过程，导致物质高度压缩，进而形成原初黑洞或其他致密天体。

“引力热坍缩”是一种在自引力系统（如星团或粒子晕）中发生的现象。当系统内部热量无法有效散失时，核心区域会因引力变得越来越热、越来越密，最终导致快速向内坍缩。

研究人员指出，引力热坍缩可能造就了三种奇异的天体：

• 第一种是“食人恒星”（cannibal stars），它不像太阳那样通过核聚变产生能量，而是通过其内部粒子相互碰撞并“自我湮灭”来发光发热，如同“吞噬”自身来获取能量。

• 第二种是玻色子星（Boson Stars），这类假想天体依靠粒子自身的量子特性来维持结构稳定。不过，玻色子星的寿命可能极短，或在诞生数秒后就进一步坍缩为原初黑洞。

• 第三种则是原初黑洞，指在宇宙大爆炸后极短时间内，由极高密度的物质直接坍缩形成的黑洞，而非由大质量恒星死亡后形成，它们被认为是暗物质的候选者之一。

根据该研究的理论模型，早期物质主导时代形成的物质晕质量相对较小（低于 10²⁸克），因此产生的原初黑洞质量也更小。

模型演算揭示了多种可能性：在某些条件下，原初黑洞的产量可能过高，从而违背现有天文观测的约束；而在另一些条件下，则可能形成小行星质量的原初黑洞，其数量之多，有望解释宇宙中全部的暗物质。此外，还有一部分原初黑洞可能在原初核合成发生前就已通过霍金辐射蒸发殆尽。

这项研究不仅为解释暗物质的来源提供了新思路，也为天体物理学开辟了更广阔的探索方向。研究团队总结道，未来可以进一步探索在当今宇宙中，由自相互作用的暗物质晕坍缩形成“食人恒星”与玻色子星的可能性。