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原初黑洞几时有? 线索或在宇宙起源中

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2018-09-14 09:20 科技日报

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  黑洞大概是宇宙中最神秘的事物之一。它如同一个贪婪的胖子,体重巨大,吞噬任何从它附近经过的东西,包括光线。科学家认为,恒星级质量的黑洞可能形成于大质量恒星在生命终点的爆发。而小质量黑洞的碰撞并合,以及更小质量黑洞吞噬气体尘埃,会形成超大质量黑洞。

  但你有没有想过,当宇宙最初还是一片虚空时,最早的那些黑洞从何而来?这是科学家们思索了半个多世纪的问题。他们一直困惑于,无法在宇宙初期形成数量足够多的原初黑洞。

  近日国际权威期刊《物理评论快报》上刊发的一篇文章重新审视了原初黑洞的物理起源。该文指出,原初黑洞可能与宇宙暴胀时期的声速扰动息息相关。那么,原初黑洞到底从何而来?声速扰动又能如何帮助它加快形成?

  早期宇宙养育的“大胖子” 

  原初黑洞是什么呢?简而言之,就是宇宙在早期由于局域空间的物质分布过于密集,导致物质直接坍塌所形成的黑洞。它们的形成机制有别于通常情况下恒星坍缩形成的黑洞。可以想像的是,彼时的宇宙与当前它几乎空荡荡的状态是截然不同的。极早期宇宙的温度极高,物质分布也呈现出极为稠密的等离子体态。原初黑洞就是在这个时期形成的。打个通俗的比喻,这就像在一锅浓稠滚烫的热粥里撒上了一把黑芝麻。

  由于原初黑洞产生于宇宙原初时期,经过漫长的热膨胀历史演化,它们中的许多可能已经通过霍金蒸发转变为辐射并消失殆尽。不过,那些仍然残留的原初黑洞为我们认知宇宙提供了诸多重要的启示。例如,原初黑洞被公认为是占据了宇宙组分约四分之一的暗物质的有效候选者。此外,恰好处于现在的宇宙中,而且正在发生霍金蒸发的原初黑洞,可以为伽马射线暴提供合理的物理解释。

  近期有一种新的学术观点认为,自2015年以来引力波激光干涉天文台(LIGO)所捕获的若干黑洞引力波信号,可能来自原初双黑洞并合过程。正因为原初黑洞可以为宇宙学和天文学实验观测提供丰富的科学目标,天文学家们一直都在为捕获这些“看不见”的天外来客做着不懈努力。

  无中生有的物质起伏 

  早在1960年代,苏联物理学家雅科夫·泽尔多维奇和英国物理学家斯蒂芬·霍金分别指出了在极早期宇宙中形成原初黑洞的理论可能性。这在后来的宇宙学研究中被广泛探讨。霍金指出,宇宙刚刚经历大爆炸创生阶段之后,局部密集区域的物质可能由于自身引力作用发生坍缩,从而形成原初黑洞,并在宇宙后续的漫长演化中不断影响着宇宙的结构。

  然而,这些局部密集的物质密度分布从何而来呢?为了回答这一问题,人们将目光投向了宇宙学的另一个重要话题。那就是,宇宙在极早期经历了怎样的物理起源和动力学演化?

  当前最主流的宇宙起源假说是美国宇宙学家阿兰·古斯在上世纪80年代提出的暴胀学说。他认为宇宙诞生后迅速进入了一段接近于指数形式的加速膨胀阶段。这让宇宙的空间尺度在大爆炸发生之后约10-32秒内发生了约1026倍的拉伸。形象地说,这意味着在非常短的时间内,一个氢原子直径大小的空间距离被放大为约一光年的尺度。

  量子理论认为,真空并不空,而是存在随机的非常小的涨落。它们很快发生又消失,而且涨落幅度非常小,因此在一段时间内看来,它们并没有意义。这被称作真空量子涨落。在暴胀期间,宇宙中原本极为微小的真空量子涨落同样会被拉伸开,并会在其波长超过某个由宇宙膨胀速度决定的尺度时,成为真实的物质密度起伏。宇宙膨胀速度越快,这个尺度越小。

  由此理论机制所发展起来的宇宙学扰动理论预言了一个巧夺天工的宇宙微波背景辐射图景。1989年人类发射了第一枚宇宙微波背景辐射卫星——宇宙背景探测器(COBE),它公布的观测数据支持了这一理论。之后威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)以及普朗克(Planck)卫星的高精度实验数据都验证了这一点。

  密度扰动加速黑洞形成 

  然而,在基于标准宇宙学模型所建立起来的扰动理论中,原初黑洞的产生率是极为低下的,通常不足以带来令人期待的观测效应。另外,暴胀会稀释掉在这期间所产生的任何过大扰动,想要形成原初黑洞就必须让一些大的扰动存活下来。这为在宇宙学和天文学上探寻原初黑洞笼罩上了重重阴影。

  为了解决这个问题,提高原初黑洞的产生率,中国科大的研究团队提出了一种崭新的原初黑洞产生机制。他们指出, 如果原初宇宙中存在以声速传播的物质密度扰动,且形成周期性振荡,那么原初密度将发生周期性叠加,增加原初黑洞的产生几率。这就好比,当一个小孩站在秋千上做下蹲运动,若下蹲运动频率为秋千摆荡频率的偶数倍时,秋千摆动会随之增大。

  这种动力学机制可以在当前天文学观测限制允许的范围内十分有效地产生原初黑洞,其质量分布非常宽泛。目前通过引力波等手段已经探测到了不同质量的黑洞。但它们的质量分布并不连续。这是因为受到探测手段的限制,还是因为它们的质量分布本就如此?最新研究给出的答案是后者,而且黑洞不连续的质量分布还会展现出某种规律。这有待更多观测的验证。

  研究分析还表明,这种原初黑洞形成机制还可以为当前宇宙学观测中一定比例的暗物质组分提供重要的理论解释。随着天文学发展走进了多信使时代,原初黑洞的可检验性也变得愈发可靠。

  关于宇宙如何在极早的原初时期孕育出原初黑洞,还有很多未解的谜团。当前研究为我们了解这类神秘的奇异黑洞提供了一个新的思路。而随着天文学观测技术和实验设备的迅速发展,相信在不久的将来,我们有机会一窥原初黑洞这类宇宙极早期天体的奥秘。例如,中国计划建设的12米光学望远镜以及即将发射的詹姆斯·韦伯望远镜等先进设备,将能深入探索宇宙极早期的状态,有望在原初黑洞的搜寻方面取得突破。而当前备受关注的引力波天文学将会为分辨黑洞引力波源提供更为详尽的信息,对这些引力波信号是否来自原初黑洞予以辨认。(作者系中国科学技术大学天文系教授蔡一夫)

 
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