原初黑洞到底从何而来 线索或在宇宙起源中

更新日期:2022年06月18日

       黑洞可能是宇宙中最神秘的事物之一。它就像一个肥胖、贪婪的人,

拥有巨大的重量, 可以吞噬任何经过它的东西, 包括光。
       科学家们认为, 当大质量恒星在其生命的尽头发生爆炸时, 可能会形成恒星质量的黑洞。小质量黑洞的碰撞合并, 以及小质量黑洞对气体和尘埃的吞噬, 都会形成超大质量黑洞。但是你有没有想过, 当宇宙原本是一片虚无的时候, 最早的黑洞是从哪里来的?这是科学家们思考了半个多世纪的问题。他们一直感到困惑的是, 在宇宙的早期不可能形成足够多的原始黑洞。近日, 发表在国际权威期刊《物理评论快报》上的一篇文章重新审视了原始黑洞的物理起源。论文指出, 原始黑洞可能与宇宙膨胀过程中声速的摄动密切相关。那么, 原始黑洞是从哪里来的呢?声速的扰动如何帮助它更快地形成?宇宙初期升起的大肥大原始黑洞是什么?简而言之, 早期的宇宙由于局部空间的物质分布过于密集,

导致物质直接坍缩形成黑洞。它们的形成机制不同于通常由恒星坍缩形成的黑洞。可以想象, 当时的宇宙与今天几乎空无一物的状态有很大不同。极早期宇宙的温度极高, 物质的分布也呈现出极其密集的等离子体状态。在此期间形成了原始黑洞。打个通俗的比喻, 这就像在一锅滚烫的浓粥里撒上一把黑芝麻。由原始黑洞产生在原始宇宙中, 经过漫长的热膨胀历史, 其中很多可能已经转化为辐射, 通过霍金蒸发消失了。然而, 那些仍然存在的原始黑洞为我们对宇宙的理解提供了许多重要的启示。例如, 原始黑洞被认为是暗物质的有效候选者, 暗物质约占宇宙组成的四分之一。此外,

恰好在当前宇宙中并正在经历霍金蒸发的原始黑洞可以为伽马射线爆发提供合理的物理解释。最近有一种新的学术观点认为, 激光干涉引力波天文台(LIGO)自2015年以来捕捉到的几个黑洞引力波信号可能来自原始双星黑洞合并的过程。由于原始黑洞可以为宇宙学和天文实验观测提供丰富的科学目标, 因此天文学家一直在不懈努力,

以捕捉这些看不见的地外来客。
       无中生有的物质起起落落 早在1960年代, 苏联物理学家雅科夫·塞尔多维奇和英国物理学家斯蒂芬·霍金就分别指出了在极早期宇宙中形成原始黑洞的理论可能性。这在后来的宇宙学研究中得到了广泛的探索。霍金指出, 宇宙刚刚经历了大爆炸的创世阶段后, 局部密集区的物质可能会因为自身的引力效应而坍缩, 从而形成一个原始黑洞, 不断影响着宇宙的结构。在随后的宇宙漫长演化中。然而, 这些局部密集的物质密度分布从何而来?为了回答这个问题, 我们转向另一个重要的宇宙学话题。即宇宙在极早期经历了怎样的物理起源和动态演化?宇宙起源最主流的假说是美国宇宙学家阿兰格斯在1980年代提出的暴胀理论。他认为, 宇宙诞生后, 很快就进入了接近指数形式的加速膨胀期。这在大爆炸后约 10-32 秒内将宇宙的空间尺度扩大了约 1026 倍。形象地说, 这意味着在很短的时间内, 一个氢原子直径大小的空间距离被扩大到了大约一光年的尺度。量子理论说真空不是空的, 而是随机的非常小的波动。它们发生和消失的速度很快, 而且波动很小, 一时之间似乎没有任何意义。这被称为真空量子涨落。在暴胀过程中, 宇宙中微小的真空量子涨落也被拉长, 当其波长超过由宇宙膨胀率决定的尺度时, 就变成了真实的物质密度涨落。宇宙膨胀得越快, 这个尺度就越小。从这种理论机制发展起来的宇宙学微扰理论预测了宇宙微波背景辐射的巧妙图景。第一颗宇宙微波背景辐射卫星宇宙背景探测器(COBE)于 1989 年发射, 其观测结果支持了这一理论。后来威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)和普朗克卫星的高精度实验数据证实了这一点。密度扰动加速黑洞的形成在标准宇宙学模型建立的微扰理论中, 原始黑洞的产生率极低, 通常不足以带来预期的观测效果。此外, 暴胀会冲淡在此期间出现的任何过度扰动, 一些大的扰动必须幸存下来, 才能形成原始黑洞。这给在宇宙学和天文学中寻找原始黑洞投下了沉重的阴影。为了解决这个问题, 提高原始黑洞的生成率, 中科大研究团队提出了原始黑洞生成的新机制。他们指出, 如果原始宇宙中以声速传播的物质密度发生扰动, 形成周期性振荡, 那么原始密度会周期性叠加, 增加原始黑洞的概率。这就好比, 当一个孩子站在秋千上做深蹲动作时, 如果深蹲动作的频率是秋千频率的偶数倍, 那么秋千摆动就会相应增加。这种动力学机制可以在当前天文观测允许的范围内非常有效地产生原始黑洞, 质量分布非常广泛。已经通过引力波等手段探测到不同质量的黑洞。但它们的质量分布不是连续的。这是因为检测方法的限制, 还是因为它们的质量分布是这样的?研究给出的答案是后者, 黑洞不连续的质量分布也会表现出某种规律性。这还有待更多观察来验证。研究分析还表明, 这种原始黑洞的形成机制也可以为当前宇宙学观测中一定比例的暗物质成分提供重要的理论解释。随着天文学的发展进入多信使时代, 原初黑洞的可验证性越来越可靠。关于宇宙如何在非常早期的原始时期诞生原始黑洞, 仍有许多未解之谜。目前的研究为我们对这种神秘而奇异的黑洞的理解提供了新的思路。随着天文观测技术和实验设备的飞速发展, 相信在不久的将来, 我们将有机会一窥原始黑洞等极早期天体的奥秘。例如, 中国计划中的12米光学望远镜和即将推出的詹姆斯韦伯望远镜等先进设备, 将能够深入探索宇宙的极早期状态, 有望在寻找原始黑洞方面取得突破。目前备受关注的引力波天文学, 将为区分黑洞引力波的来源, 识别这些引力波信号是否来自原始黑洞提供更详细的信息。
        (作者为中国科学技术大学天文系蔡一夫教授)

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