原初黑洞到底從何而來 線索或在宇宙起源中

黑洞大概是宇宙中最神秘的事物之一。它如同一個貪婪的胖子，體重巨大，吞噬任何從它附近經過的東西，包括光線。科學家認為，恆星級質量的黑洞可能形成於大質量恆星在生命終點的爆發。而小質量黑洞的碰撞併合，以及更小質量黑洞吞噬氣體塵埃，會形成超大質量黑洞。

但你有沒有想過，當宇宙最初還是一片虛空時，最早的那些黑洞從何而來？這是科學家們思索了半個多世紀的問題。他們一直困惑於，無法在宇宙初期形成數量足夠多的原初黑洞。

近日國際權威期刊《物理評論快報》上刊發的一篇文章重新審視了原初黑洞的物理起源。該文指出，原初黑洞可能與宇宙暴脹時期的聲速擾動息息相關。那麼，原初黑洞到底從何而來？聲速擾動又能如何幫助它加快形成？

早期宇宙養育的“大胖子”

原初黑洞是什麼呢？簡而言之，就是宇宙在早期由於局域空間的物質分佈過於密集，導致物質直接坍塌所形成的黑洞。它們的形成機制有別於通常情況下恆星坍縮形成的黑洞。可以想像的是，彼時的宇宙與當前它幾乎空蕩蕩的狀態是截然不同的。極早期宇宙的温度極高，物質分佈也呈現出極為稠密的等離子體態。原初黑洞就是在這個時期形成的。打個通俗的比喻，這就像在一鍋濃稠滾燙的熱粥裏撒上了一把黑芝麻。

由於原初黑洞產生於宇宙原初時期，經過漫長的熱膨脹歷史演化，它們中的許多可能已經通過霍金蒸發轉變為輻射並消失殆盡。不過，那些仍然殘留的原初黑洞為我們認知宇宙提供了諸多重要的啓示。例如，原初黑洞被公認為是佔據了宇宙組分約四分之一的暗物質的有效候選者。此外，恰好處於現在的宇宙中，而且正在發生霍金蒸發的原初黑洞，可以為伽馬射線暴提供合理的物理解釋。

近期有一種新的學術觀點認為，自2015年以來引力波激光干涉天文台(LIGO)所捕獲的若干黑洞引力波信號，可能來自原初雙黑洞併合過程。正因為原初黑洞可以為宇宙學和天文學實驗觀測提供豐富的科學目標，天文學家們一直都在為捕獲這些“看不見”的天外來客做着不懈努力。

無中生有的物質起伏

早在1960年代，蘇聯物理學家雅科夫·澤爾多維奇和英國物理學家斯蒂芬·霍金分別指出了在極早期宇宙中形成原初黑洞的理論可能性。這在後來的宇宙學研究中被廣泛探討。霍金指出，宇宙剛剛經歷大爆炸創生階段之後，局部密集區域的物質可能由於自身引力作用發生坍縮，從而形成原初黑洞，並在宇宙後續的漫長演化中不斷影響着宇宙的結構。

然而，這些局部密集的物質密度分佈從何而來呢？為了回答這一問題，人們將目光投向了宇宙學的另一個重要話題。那就是，宇宙在極早期經歷了怎樣的物理起源和動力學演化？

當前最主流的宇宙起源假説是美國宇宙學家阿蘭·古斯在上世紀80年代提出的暴脹學説。他認為宇宙誕生後迅速進入了一段接近於指數形式的加速膨脹階段。這讓宇宙的空間尺度在大爆炸發生之後約10-32秒內發生了約1026倍的拉伸。形象地説，這意味着在非常短的時間內，一個氫原子直徑大小的空間距離被放大為約一光年的尺度。

量子理論認為，真空並不空，而是存在隨機的非常小的漲落。它們很快發生又消失，而且漲落幅度非常小，因此在一段時間內看來，它們並沒有意義。這被稱作真空量子漲落。在暴脹期間，宇宙中原本極為微小的真空量子漲落同樣會被拉伸開，並會在其波長超過某個由宇宙膨脹速度決定的尺度時，成為真實的物質密度起伏。宇宙膨脹速度越快，這個尺度越小。

由此理論機制所發展起來的宇宙學擾動理論預言了一個巧奪天工的宇宙微波背景輻射圖景。1989年人類發射了第一枚宇宙微波背景輻射衞星——宇宙背景探測器(COBE)，它公佈的觀測數據支持了這一理論。之後威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)以及普朗克(Planck)衞星的高精度實驗數據都驗證了這一點。

密度擾動加速黑洞形成

然而，在基於標準宇宙學模型所建立起來的擾動理論中，原初黑洞的產生率是極為低下的，通常不足以帶來令人期待的觀測效應。另外，暴脹會稀釋掉在這期間所產生的任何過大擾動，想要形成原初黑洞就必須讓一些大的擾動存活下來。這為在宇宙學和天文學上探尋原初黑洞籠罩上了重重陰影。

為了解決這個問題，提高原初黑洞的產生率，中國科大的研究團隊提出了一種嶄新的原初黑洞產生機制。他們指出， 如果原初宇宙中存在以聲速傳播的物質密度擾動，且形成周期性振盪，那麼原初密度將發生週期性疊加，增加原初黑洞的產生幾率。這就好比，當一個小孩站在鞦韆上做下蹲運動，若下蹲運動頻率為鞦韆擺盪頻率的偶數倍時，鞦韆擺動會隨之增大。

這種動力學機制可以在當前天文學觀測限制允許的範圍內十分有效地產生原初黑洞，其質量分佈非常寬泛。目前通過引力波等手段已經探測到了不同質量的黑洞。但它們的質量分佈並不連續。這是因為受到探測手段的限制，還是因為它們的質量分佈本就如此？最新研究給出的答案是後者，而且黑洞不連續的質量分佈還會展現出某種規律。這有待更多觀測的驗證。

研究分析還表明，這種原初黑洞形成機制還可以為當前宇宙學觀測中一定比例的暗物質組分提供重要的理論解釋。隨着天文學發展走進了多信使時代，原初黑洞的可檢驗性也變得愈發可靠。

關於宇宙如何在極早的原初時期孕育出原初黑洞，還有很多未解的謎團。當前研究為我們瞭解這類神秘的奇異黑洞提供了一個新的思路。而隨着天文學觀測技術和實驗設備的迅速發展，相信在不久的將來，我們有機會一窺原初黑洞這類宇宙極早期天體的奧秘。例如，中國計劃建設的12米光學望遠鏡以及即將發射的詹姆斯·韋伯望遠鏡等先進設備，將能深入探索宇宙極早期的狀態，有望在原初黑洞的搜尋方面取得突破。而當前備受關注的引力波天文學將會為分辨黑洞引力波源提供更為詳盡的信息，對這些引力波信號是否來自原初黑洞予以辨認。(作者系中國科學技術大學天文系教授蔡一夫)