【导读】
一项由英国朴茨茅斯大学和西班牙巴塞罗那空间科学研究所研究人员开展的研究提出，一些黑洞可能并非诞生于传统意义上的大爆炸之后，而是在此前的宇宙收缩阶段形成，并在所谓的“宇宙反弹”过程中幸存下来。这些“遗留”黑洞被认为可能与暗物质、引力波背景以及早期超大质量黑洞和星系的快速增长有关。
大爆炸前黑洞作为暗物质候选
研究负责人恩里克·加斯塔尼亚加（Enrique Gaztañaga）教授提出了一种新的暗物质形成机制，核心观点是：部分黑洞起源于大爆炸之前的宇宙收缩与反弹阶段，并以“宇宙化石”的形式延续至今。
根据这一设想，在宇宙经历由收缩转为膨胀的反弹过程中，早期形成的致密天体中，尺寸大于约90米的部分有可能穿越这一转变阶段，在后续膨胀宇宙中重新出现。这些遗留天体的候选包括引力波、密度扰动以及古老黑洞。
研究指出，如果在反弹阶段形成了大量黑洞，它们可能构成暗物质的显著组成部分，甚至有可能占据暗物质的全部。这一假说为解释暗物质这一“不可见但具有引力效应”的成分提供了新的思路。
挑战标准宇宙学模型的“反弹”设想
在标准宇宙学模型中，宇宙被追溯至约138亿年前的一个极端炽热、致密的初始状态，即大爆炸。该模型成功解释了宇宙微波背景辐射（CMB）以及星系在大尺度上的分布特征，并在过去几十年中得到广泛应用。
然而，加斯塔尼亚加指出，关于宇宙起源的若干关键问题仍未解决，包括：
- 是什么触发了大爆炸；
- 宇宙为何以一种极为特殊的初始状态开始；
- 早期宇宙中短暂而快速的暴涨膨胀如何产生；
- 为何暗物质的总质量约为普通物质的五倍，却至今未被直接探测到。
在爱因斯坦广义相对论框架下，大爆炸对应一个密度趋于无穷大的奇点，此处现有物理定律失效。许多物理学家据此认为，当前对宇宙最初时刻的理论描述并不完备。
作为替代方案之一，反弹宇宙学认为，宇宙并非从单一爆炸开始，而是经历了先收缩后反弹再膨胀的过程。在这一图景中，宇宙不会坍缩到无限密度，而是在达到极高但有限的密度后发生“反转”，由收缩转为膨胀。
加斯塔尼亚加表示，奇点通常意味着理论适用范围的终点，而反弹机制则为宇宙从收缩过渡到膨胀提供了一种无需引入“奇异物理”的途径。
量子效应与宇宙反弹
研究指出，反弹过程可能与量子物理在极端条件下的效应有关。在极高密度环境中，量子效应会产生强大压力，阻止物质被无限压缩。这一机制被认为在白矮星和中子星等致密天体中已得到体现，并可在一定条件下重现类似暴涨的快速膨胀阶段。
在新模型中，类似的量子压力被假设可在宇宙尺度上发挥作用：当宇宙处于收缩阶段并接近极高密度时，这种压力阻止其继续坍缩，从而触发反弹并进入膨胀阶段。
研究认为，这一反弹过程有望同时关联宇宙学中的两大未解问题：
- 早期宇宙为何能够以极快速度并近似各向同性地膨胀；
- 当前宇宙膨胀为何呈加速状态，这一现象目前通常归因于成因尚不明确的“暗能量”。
在这一框架下，一些在收缩阶段形成的结构有可能在反弹中幸存，并在后续宇宙演化中持续发挥作用。
早期超大质量黑洞与星系形成
研究还将这一理论与近期观测结果联系起来。NASA/ESA/CSA詹姆斯·韦伯太空望远镜在早期宇宙中发现了一批质量出乎意料巨大的天体，被昵称为“小红点”。部分天文学家推测，这些天体可能与大爆炸后不久迅速增长的黑洞有关。
在加斯塔尼亚加提出的情景中，如果大质量黑洞在反弹之后几乎立即就已存在，那么早期宇宙在形成首批星系时并非“从零开始”，而是基于已有的致密天体和结构进行演化。这一设想为解释早期超大质量黑洞和星系的快速增长提供了一个可能的物理起点。
此外，研究指出，反弹后不久，早期宇宙中的物质分布可能出现增强的密度波动，形成比通常更强烈、更集中的物质团块。这些团块在自身引力作用下更易坍缩，从而提高了早期形成大尺度结构和黑洞的概率。
可检验预言与后续工作
该理论提出了一些有望通过未来观测进行检验的预言。研究指出，科学界可以从两个方向寻找证据：
- 搜索可能源自前一宇宙阶段的遗留引力波信号；
- 在宇宙微波背景辐射中寻找可能保留大爆炸前宇宙信息的细微模式。
加斯塔尼亚加表示，要验证这些设想仍需大量工作，但如果宇宙确实经历过反弹，那么塑造当今星系分布的“暗结构”有可能是大爆炸前宇宙时代遗留下来的结果。
相关研究论文题为《Cosmological bounce relics: Black holes, gravitational waves, and dark matter》，发表于《物理评论D》（Phys. Rev. D 113, 043544），DOI 为 10.1103/pr4p-6m49。
