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宇宙大爆炸之后,有没有留下一些原始黑洞呢?

发布时间:2021-08-20 10:41 来源:新浪科技

两个黑洞合并的模拟图。两个黑洞合并的模拟图。

  据国外媒体报道,2016年,LIGO(激光干涉引力波天文台)团队首次宣布发现了由数十亿年前两个黑洞相撞产生的引力波,给了全世界一个巨大的惊喜。但科学家在激动之余(以及拿诺贝尔奖拿到手软之余),也感到了一丝惊讶:这两个黑洞的质量非常特别,令他们忍不住考虑起了这样一种可能性:这两个黑洞也许在宇宙诞生尚不足一秒时便已经形成了。

  黑洞制造指南

  我们都知道黑洞在现代宇宙中是如何形成的,首先要有一颗恒星,质量越大越好,至少达到太阳的八倍才行。然后慢慢等上几千万年,等这颗恒星将所有的氢燃烧殆尽,它便会走向生命的终点,最后以超新星爆发的形式宣告死亡。在爆炸的烈焰中,恒星内核的密度会急剧增加,没有任何物质能够逃脱它的引力。在恒星外层物质被抛向外太空的同时,内层物质则会向内坍缩,一层层向里折叠,逐渐变成了一颗黑洞。

  恒星越大,形成的黑洞就越大,LIGO此次发现的有趣之处也正在这里。两颗相撞的黑洞的质量分别高达太阳质量的30和35倍。要想形成这么大的黑洞,要么是形成它的恒星本来就大得惊人(太阳质量的100倍左右);要么要由多个小黑洞合并而成。

  但这两种假设似乎都不成立。至少就我们所知,现代宇宙中不存在这么大的恒星。而黑洞合并也并不常见,不足以形成如此大的黑洞。

  因此,这两个黑洞或许另有来头。

  宇宙大爆炸,黑洞制造机

  早期宇宙是个十分疯狂的地方,温度和压力都高得难以想象,物相变化将整个宇宙搅得天翻地覆,自然法则也在不断改写。

  在那时,只要条件合适,任何一团气体都可以自发性收缩、形成大小各异的黑洞,有些质量可能只有寥寥几千克,有些则可能高达太阳的成千上万倍。关于这些原始黑洞的形成机制,理论物理学界也是众说纷纭,从膨胀理论到宇宙相撞,可谓五花八门。

  因此从某种意义上来说,这些原始黑洞很容易解释LIGO的发现。只需要找到一套理论、证明这个质量范围内的黑洞可以形成即可,再等上几十亿年,就可以观察到两个黑洞相撞了。

  在黑暗中捕猎

  一个充满了原始黑洞的宇宙会是什么模样?要想检验上述“原始黑洞”假说,我们必须先弄明白这个问题。

  首先,这些黑洞也许会无意中撞上其它物体,或者通过引力将其它物体吸入肚中。无论到了哪里,它们都是混乱制造者。一个仅有一公斤重的黑洞撞上地球,便足以引发一连串地震。黑洞还可能将构成双星系统的两颗恒星分扯开,或是将整个矮星系搅得一团乱。假如黑洞撞上了中子星,更是会引发一场天崩地裂般的爆炸。传说中的“九号行星”说不定就是一颗只有网球那么大的黑洞。

  黑洞不一定是100%纯黑的。借助一种名叫“霍金辐射”的量子力学机制,它们也可能会发光,只不过光芒极其微弱而已。但大型黑洞基本不会发光,一个质量与太阳相仿的黑洞每年只能释放出一个光子,要过足足1060年,黑洞的全部质量才会以这种方式辐射殆尽。但对小型黑洞而言,这一过程耗时则要短得多,期间还会时不时突然迸发出大量能量。

  这些随时可能爆炸的黑洞也许一度将早期宇宙搅得天翻地覆,不断改变着宇宙中的元素丰度或宇宙微波背景。我们观察到的一些伽马射线暴也可能是它们的杰作。

  但尽管做了种种努力,我们仍然无法将“原始黑洞说”与现代宇宙联系起来。假如这些原始黑洞真的存在过,那么不管我们从哪条途径进行观察,都不可能注意不到它们引发的骚乱。

  换句话说,虽然LIGO观察到的黑洞质量之大难以解释,但假如宇宙中真的存在过这些原始黑洞,我们一定早就用其它方式探测到了。

编辑:徐菁
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