Ursprungliga svarta hål som skapades i de första ögonblicken efter Big Bang - små som är mindre än huvudet på en nål och supermassiva som täcker miljarder miles - kan stå för all mörk materia i universum.

Det är innebörden av en ny modell av det tidiga universum skapad av astrofysiker vid Yale, University of Miami och European Space Agency (ESA). Om det visar sig vara sant med data från det snart lanserade rymdteleskopet James Webb, skulle upptäckten förändra forskarnas förståelse av ursprunget och naturen hos både mörk materia och svarta hål.

Mörk materia – som aldrig har observerats direkt – tros utgöra majoriteten av materia i universum och fungera som den osynliga byggnadsställning på vilken galaxer bildas och utvecklas. Fysiker har ägnat år åt att testa en mängd olika kandidater för mörk materia, inklusive hypotetiska partiklar som sterila neutriner, Weakly Interacting Massive Particles (WIMPS) och axioner.

Svarta hål har å andra sidan observerats. Ett svart hål är en punkt i rymden där materia är så tätt komprimerad att den skapar en intensiv gravitation. Inte ens ljus kan motstå dess drag. Svarta hål finns i mitten av de flesta galaxer.

Den nya studien, godkänd för publicering i The Astrophysical Journal , harkens tillbaka till en teori som först föreslogs på 1970-talet av fysikerna Stephen Hawking och Bernard Carr. Vid den tiden hävdade Hawking och Carr att under den första bråkdelen av en sekund efter Big Bang kan små fluktuationer i universums täthet ha skapat ett böljande landskap med "klumpiga" områden som hade extra massa. Dessa klumpiga områden skulle kollapsa till svarta hål.

Även om teorin inte fick genomslag inom det bredare forskarsamhället – den nya studien tyder på att den trots allt kan ha en förklaringskraft om den ändras något.

Om de flesta av de ursprungliga svarta hålen "föddes" i en storlek som är ungefär 1,4 gånger massan av jordens sol, skulle de potentiellt kunna stå för all mörk materia, sa Yale professor i astronomi och fysik Priyamvada Natarajan, tidningens teoretiker.

Natarajan och hennes kollegor säger att deras nya modell visar att de första stjärnorna och galaxerna skulle ha bildats runt svarta hål i det tidiga universum. Dessutom, sa hon, skulle ursprungliga svarta hål ha haft förmågan att växa till supermassiva svarta hål genom att frossa i gas och stjärnor i deras närhet, eller genom att smälta samman med andra svarta hål.

"Ursvarta hål, om de existerar, kan mycket väl vara frön från vilka alla supermassiva svarta hål bildas, inklusive det i mitten av Vintergatan," sa Natarajan.

"Vad jag personligen tycker är superspännande med den här idén är hur den elegant förenar de två riktigt utmanande problemen som jag arbetar med - det att undersöka naturen hos mörk materia och bildandet och tillväxten av svarta hål - och löser dem i ett svep, " lade hon till.

James Webb-teleskopets uppdrag kommer att vara att hitta de första galaxerna som bildades i det tidiga universum och se stjärnor bilda planetsystem.

Den nya studiens första författare är Nico Cappelluti, en tidigare postdoktor vid Yale Center for Astronomy &Astrophysics Prize som nu är biträdande professor i fysik vid University of Miami. Günther Hasinger, ESA:s vetenskapschef, är studiens andra författare.

"Vår studie visar att utan att introducera nya partiklar eller ny fysik kan vi lösa mysterier inom modern kosmologi från själva mörk materiens natur till ursprunget till supermassiva svarta hål", sa Cappelluti.

Ursprungliga svarta hål kan också lösa ett annat kosmologiskt pussel:överskottet av infraröd strålning, synkroniserad med röntgenstrålning, som har upptäckts från avlägsna, dunkla källor utspridda runt universum. Natarajan och hennes kollegor sa att växande, ursprungliga svarta hål skulle presentera "exakt" samma strålningssignatur.

Det bästa av allt är att förekomsten av ursprungliga svarta hål kan bevisas – eller motbevisas – inom en snar framtid, tack vare James Webb Space Telescope och ESA:s Laser Interferometer Space Antenna-uppdrag (LISA) som tillkännagavs för 2030-talet.

Om mörk materia består av ursvarta hål, skulle fler stjärnor och galaxer ha bildats runt dem i det tidiga universum – precis den epok som James Webb-teleskopet kommer att kunna se. LISA kommer under tiden att kunna plocka upp gravitationsvågsignaler från tidiga sammanslagningar av ursprungliga svarta hål.

"Om de första stjärnorna och galaxerna redan bildades under den så kallade "mörka tidsåldern", borde Webb kunna se bevis på dem, säger Hasinger.

Natarajan tillade, "Det var oemotståndligt att utforska den här idén på djupet, med vetskapen om att den hade potential att valideras ganska snart."