这些发现探讨了宇宙并非始于单一爆炸事件的可能性。相反，研究人员研究了宇宙“反弹”模型，在该模型中，早期的宇宙在逆转方向并膨胀之前曾经历过收缩。在这种情况下，来自早期宇宙阶段的一些黑洞可能幸存过了这一转变，并作为“宇宙化石”一直存在至今。
如果这一想法被证明是正确的，这些原初黑洞可以为宇宙学中几个主要的未解之谜提供线索。它们可能有助于科学家理解什么是暗物质，以及最早的星系和其他大尺度结构是如何开始形成的。
重新思考宇宙的起源
该研究的主要作者、来自朴茨茅斯大学宇宙学与引力研究所和巴塞罗那空间科学研究所的恩里克·加斯坦尼亚加教授表示：“近一个世纪以来，宇宙学家一直将宇宙的历史追溯到一个被称为大爆炸的戏剧性时刻。在标准图像中，时空在大约138亿年前从一种极热、极密的状态中涌现，随后经历了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——早期宇宙残留下的微弱辐射——并准确预测了星系在浩瀚宇宙距离上的分布方式。
“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触发大爆炸，为什么宇宙以如此特殊的状态开始，是什么导致了被称为暴胀的短暂急速膨胀，也不知道那种质量约为普通物质五倍的不可见‘暗物质’究竟是什么。
“我们的研究探索了一种可能将这些谜题联系起来的可能性：宇宙可能根本不是始于一次单一的爆炸，而是从一次模拟暴胀的宇宙反弹中涌现出来的，宇宙中一些最古老的物体可能作为此前的遗迹幸存了下来。”
一些黑洞可能起源于早期的收缩阶段，然后穿过了反弹。如果是这样，这些遗迹可能仍然影响着数十亿年后星系的结构方式。
其他黑洞可能是在反弹后不久形成的，因为密度涨落被放大了。在这种情况下，年轻宇宙中的物质会以异常强烈的浓度分布。这些密度较高的区域更有可能在引力作用下坍缩，使得大尺度宇宙结构（以及黑洞）比原本可能的时间更早地发育。
宇宙反弹而非奇点
根据爱因斯坦的广义相对论，追溯宇宙的历史会导致大爆炸奇点，那里的密度变得无限大，已知的物理定律不再起作用。许多物理学家将这种失效视为现有理论未能对宇宙最早阶段提供完整描述的证据。
反弹宇宙学提供了另一种可能性。在这个图景中，宇宙始于巨大的云团，该云团收缩直到达到极密状态。它没有坍缩成无限密度的奇点，而是达到了非常高的有限密度，然后逆转方向向外膨胀。
加斯坦尼亚加教授补充道：“奇点通常标志着我们的理论描述已达到极限。反弹提供了一种方式，使宇宙能够从收缩转变为膨胀，而无需引入新的奇异物理。”
研究人员认为，量子物理学可以自然地产生这种反弹。在极高密度下，量子效应可以产生强大的压力，防止物质被无限压缩。类似的效应已经有助于稳定白矮星和中子星等致密天体，并能重现暴胀膨胀阶段。
他们的模型将一个相关过程应用于整个宇宙。在收缩过程中，量子压力最终可能变得足够强大，从而停止坍缩并将宇宙推向一个新的膨胀期。
与暴胀和暗能量的可能联系
研究人员表示，反弹可能解决宇宙学中的两个主要难题。它可能有助于解释为什么早期宇宙在各个方向上都经历了快速且显著的均匀膨胀，这一过程被称为暴胀。
同样的框架也可以为目前观测到的宇宙加速膨胀提供见解。科学家目前将这种加速归因于暗能量，这是一种人们对其潜在性质仍知之甚少的现象。
另一个重要的预测是，在收缩阶段产生的一些物体可能在反弹中幸存下来。根据该团队的计算，大小超过约90米的致密物体可以穿过这一转变，并在宇宙开始膨胀后再次出现。
可能幸存的遗迹包括引力波、密度涨落和古老黑洞。
作为暗物质的古老黑洞
那些遗迹黑洞可能为暗物质提供一种可能的解释。虽然暗物质无法被直接观测到，但其引力影响有助于决定星系如何形成以及物质如何在宇宙的大尺度结构上分布。
研究人员称，如果在反弹期间产生了足够多的黑洞，它们可能占据了暗物质的很大一部分。原则上，它们甚至可能解释所有的暗物质。
该模型还可以阐明詹姆斯·韦伯太空望远镜的一些令人困惑的观测结果。韦伯在早期宇宙中探测到了意想不到的巨大物体，包括有时被描述为“小红点”的源。许多天文学家认为，这些物体可能与迅速增长的黑洞有关，而这些黑洞在宇宙历史上出现的时间比预期的要早得多。
“如果大质量黑洞在反弹后立即存在，早期宇宙在构建第一批星系时就不需要从零开始，”加斯坦尼亚加说。
寻找大爆炸之前的证据
该理论提供了未来观测可能验证的预测。研究人员可以寻找在早期宇宙阶段产生的遗迹引力波。
科学家还可以在宇宙微波背景中搜寻细微的图案，这些图案可能保存了大爆炸之前时间的信息。
“要验证这些想法，还有很多工作要做，”加斯坦尼亚加补充道。“但如果宇宙确实经历过反弹，那么今天塑造星系的暗结构可能是大爆炸之前宇宙时期的残留物。”