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宇宙大爆炸之后,有沒有留下一些原始黑洞呢?

發布時間:2021-08-20 10:41 來源:新浪科技

兩個黑洞合并的模擬圖。兩個黑洞合并的模擬圖。

  據國外媒體報道,2016年,LIGO(激光干涉引力波天文臺)團隊首次宣布發現了由數十億年前兩個黑洞相撞產生的引力波,給了全世界一個巨大的驚喜。但科學家在激動之余(以及拿諾貝爾獎拿到手軟之余),也感到了一絲驚訝:這兩個黑洞的質量非常特別,令他們忍不住考慮起了這樣一種可能性:這兩個黑洞也許在宇宙誕生尚不足一秒時便已經形成了。

  黑洞制造指南

  我們都知道黑洞在現代宇宙中是如何形成的,首先要有一顆恒星,質量越大越好,至少達到太陽的八倍才行。然后慢慢等上幾千萬年,等這顆恒星將所有的氫燃燒殆盡,它便會走向生命的終點,最后以超新星爆發的形式宣告死亡。在爆炸的烈焰中,恒星內核的密度會急劇增加,沒有任何物質能夠逃脫它的引力。在恒星外層物質被拋向外太空的同時,內層物質則會向內坍縮,一層層向里折疊,逐漸變成了一顆黑洞。

  恒星越大,形成的黑洞就越大,LIGO此次發現的有趣之處也正在這里。兩顆相撞的黑洞的質量分別高達太陽質量的30和35倍。要想形成這么大的黑洞,要么是形成它的恒星本來就大得驚人(太陽質量的100倍左右);要么要由多個小黑洞合并而成。

  但這兩種假設似乎都不成立。至少就我們所知,現代宇宙中不存在這么大的恒星。而黑洞合并也并不常見,不足以形成如此大的黑洞。

  因此,這兩個黑洞或許另有來頭。

  宇宙大爆炸,黑洞制造機

  早期宇宙是個十分瘋狂的地方,溫度和壓力都高得難以想象,物相變化將整個宇宙攪得天翻地覆,自然法則也在不斷改寫。

  在那時,只要條件合適,任何一團氣體都可以自發性收縮、形成大小各異的黑洞,有些質量可能只有寥寥幾千克,有些則可能高達太陽的成千上萬倍。關于這些原始黑洞的形成機制,理論物理學界也是眾說紛紜,從膨脹理論到宇宙相撞,可謂五花八門。

  因此從某種意義上來說,這些原始黑洞很容易解釋LIGO的發現。只需要找到一套理論、證明這個質量范圍內的黑洞可以形成即可,再等上幾十億年,就可以觀察到兩個黑洞相撞了。

  在黑暗中捕獵

  一個充滿了原始黑洞的宇宙會是什么模樣?要想檢驗上述“原始黑洞”假說,我們必須先弄明白這個問題。

  首先,這些黑洞也許會無意中撞上其它物體,或者通過引力將其它物體吸入肚中。無論到了哪里,它們都是混亂制造者。一個僅有一公斤重的黑洞撞上地球,便足以引發一連串地震。黑洞還可能將構成雙星系統的兩顆恒星分扯開,或是將整個矮星系攪得一團亂。假如黑洞撞上了中子星,更是會引發一場天崩地裂般的爆炸。傳說中的“九號行星”說不定就是一顆只有網球那么大的黑洞。

  黑洞不一定是100%純黑的。借助一種名叫“霍金輻射”的量子力學機制,它們也可能會發光,只不過光芒極其微弱而已。但大型黑洞基本不會發光,一個質量與太陽相仿的黑洞每年只能釋放出一個光子,要過足足1060年,黑洞的全部質量才會以這種方式輻射殆盡。但對小型黑洞而言,這一過程耗時則要短得多,期間還會時不時突然迸發出大量能量。

  這些隨時可能爆炸的黑洞也許一度將早期宇宙攪得天翻地覆,不斷改變著宇宙中的元素豐度或宇宙微波背景。我們觀察到的一些伽馬射線暴也可能是它們的杰作。

  但盡管做了種種努力,我們仍然無法將“原始黑洞說”與現代宇宙聯系起來。假如這些原始黑洞真的存在過,那么不管我們從哪條途徑進行觀察,都不可能注意不到它們引發的騷亂。

  換句話說,雖然LIGO觀察到的黑洞質量之大難以解釋,但假如宇宙中真的存在過這些原始黑洞,我們一定早就用其它方式探測到了。

編輯:徐菁
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