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[導(dǎo)讀]充滿原始黑洞的宇宙會是什么樣子?2016年,激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)團隊宣布,2015年9月檢測到的引力波信號源自距離地球約13億光年處兩個黑洞的碰撞。這是人類首次發(fā)現(xiàn)引力波,讓全世界的研究

充滿原始黑洞的宇宙會是什么樣子?2016年,激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)團隊宣布,2015年9月檢測到的引力波信號源自距離地球約13億光年處兩個黑洞的碰撞。這是人類首次發(fā)現(xiàn)引力波,讓全世界的研究者既驚訝又興奮。碰撞產(chǎn)生引力波的兩個黑洞,其質(zhì)量分別約為太陽的36倍和29倍。

這一發(fā)現(xiàn)具有重大的意義,除了發(fā)現(xiàn)者榮獲2017年諾貝爾物理學(xué)獎外,也帶來了一個奇怪的小驚喜。形成這些時空漣漪的黑洞具有非常不一般的質(zhì)量,甚至足以開啟一個令人著迷的可能性:這兩個黑洞可能是在宇宙誕生不到一秒鐘的時候形成的。

黑洞的形成

天文學(xué)家已經(jīng)知道黑洞在現(xiàn)代宇宙中是如何形成的。首先要有一顆恒星,質(zhì)量越大越好,至少是太陽質(zhì)量的8倍。接著,等這顆恒星燃燒掉它所有可用的氫,通常這需要幾千萬年,但在宇宙學(xué)尺度中,這點時間不算什么。

在這顆恒星的生命結(jié)束時,它會在巨大的能量中毀滅自己,這就是超新星爆發(fā)。在超新星爆發(fā)的火焰中,核心的密度可以達到一種足夠密集的狀態(tài),以至于沒有任何東西可以抵抗其向內(nèi)牽拉的引力。因此,在恒星向外爆發(fā)的同時,它的另一部分不斷向內(nèi)坍縮、折疊,直至湮滅形成一個黑洞。

恒星質(zhì)量越大,其形成的黑洞就越大,這也是LIGO的探測結(jié)果如此有趣的原因。兩個相互碰撞的黑洞的質(zhì)量分別是太陽的36倍和29倍。要制造出這么大的黑洞,要么是從一顆大得可怕的恒星開始,其質(zhì)量超過太陽100倍;要么需要有大量較小的黑洞,由它們合并形成大的黑洞。

目前,這兩種情況似乎都不太可能出現(xiàn)。如此巨大的恒星在宇宙中根本不存在(至少現(xiàn)在看來是這樣),而已知的黑洞合并也沒有常見到足以形成這樣的恒星。于是,天文學(xué)家想到,也許這些黑洞有另一個不同的起源。

大爆炸與黑洞

早期的宇宙是瘋狂的,當(dāng)時的溫度和壓力是后來再也沒有出現(xiàn)過的,其中的相變過程震撼了整個宇宙,也改寫了自然的法則。

在宇宙誕生時,如果條件合適,任何一團古老的氣體都可能會自發(fā)地縮小,形成任意大小的黑洞:質(zhì)量從幾千克到太陽的數(shù)千倍不等。對于每個研究這些原始黑洞問題的理論物理學(xué)家來說,至少存在一種假設(shè)的黑洞產(chǎn)生機制,能將暴脹理論和宇宙碰撞等一切內(nèi)容囊括在內(nèi)。

因此,在某種意義上,用原始黑洞來解釋LIGO探測到的宇宙早期結(jié)果并不困難:在這個理論中,黑洞具有合適的大小范圍和豐富程度,經(jīng)過幾十億年的演變,就一定會發(fā)生合并事件。但是,如果想讓宇宙充滿在大爆炸后極短時間內(nèi)產(chǎn)生的黑洞,僅僅依靠碰撞、合并是不夠的。

在黑暗中尋找

充滿原始黑洞的宇宙會是什么樣的?這是一個很重要的問題,如果要驗證上述假設(shè),我們就需要回答這一問題。一方面,黑洞可能會隨機地撞向其他物體,并通過引力吸引其他物體,這通常會造成混亂。

千克質(zhì)量的黑洞撞擊地球可能就會引發(fā)地震。一個平靜的黑洞可能會破壞聯(lián)星系統(tǒng),或者擾亂整個矮星系。黑洞撞擊中子星可能引發(fā)可怕的爆炸。即使是假想的太陽系第九行星也有可能是一個比網(wǎng)球還小的黑洞。

另外,在潛在可探測性方面,黑洞并不是百分之百全黑的:它們可能會通過量子力學(xué)過程發(fā)出微弱的光,這一過程被稱為“霍金輻射”。大型黑洞幾乎不會發(fā)光:一個與太陽質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮诙疵磕甓紩椛涑鲆粋€光子,需要10^60年的時間才能失去全部質(zhì)量。但較小的黑洞可以在更短的時間內(nèi)爆發(fā),并在這個過程中釋放出巨大的能量。

爆發(fā)的黑洞可能破壞了早期宇宙,改變了元素的豐度或宇宙微波背景的外觀。這些黑洞還可能是我們在天空中看到的一些伽馬射線爆發(fā)的原因。

不過,盡管天文學(xué)家做了種種努力,仍然無法調(diào)和原始黑洞的存在與我們所看到的宇宙之間的關(guān)系。在理論上,對于每一種可能的觀測途徑,原始黑洞造成的混亂如此之嚴(yán)重,應(yīng)該是能夠被我們探測到的。

換句話說,盡管要解釋LIGO觀測到的合并黑洞的質(zhì)量十分困難,但如果這些黑洞所處的宇宙是原始的,那我們應(yīng)該可以通過其他方式來進行探測。


兩個黑洞碰撞的圖像,看起來跟太極頗為相似。

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