（要闻）原初黑洞几时有？ 线索或在宇宙起源中

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黑洞可能是宇宙中最神秘的东西之一。它就像一个贪婪的胖子，有着巨大的重量，吞噬着经过它身边的一切，包括光。科学家认为，恒星质量的黑洞可能是由生命末期的大质量恒星爆炸形成的。而小质量黑洞的碰撞融合和小质量黑洞对气体尘埃的吞噬会形成超大质量黑洞。

但是你有没有想过，当宇宙还是空的时候，最早的黑洞从哪里来？空。这是科学家们思考了半个多世纪的问题。他们一直困惑于在早期宇宙中无法形成足够多的原始黑洞。

最近，发表在国际权威期刊《物理评论快报》上的一篇文章重新审视了原始黑洞的物理起源。指出原始黑洞可能与宇宙膨胀期声速扰动密切相关。那么，原来的黑洞是从哪里来的呢？声速扰动如何帮助其加速形成？

早期宇宙养育的“大胖子”

最初的黑洞是什么？简而言之，它是一个黑洞，由于空.地区物质分布过于密集，在宇宙早期物质直接坍缩而形成它们的形成机制不同于正常情况下恒星坍缩形成的黑洞。可想而知，当时的宇宙与现在几乎是空.的状态大不相同在很早的宇宙中，温度极高，物质的分布是密度极高的等离子体。最初的黑洞就是在这个时期形成的。用一个通俗的比喻来说，就像是在一锅浓稠的热粥里撒了一把黑芝麻。

因为原始黑洞诞生于宇宙的原始时期，经过漫长的热膨胀历史演变，其中很多可能已经被霍金蒸发转化为辐射而消失了。然而，那些仍然存在的原始黑洞为我们理解宇宙提供了许多重要的启示。例如，原始黑洞被认为是暗物质的有效候选者，它占据了宇宙的大约四分之一。另外，刚好在现在宇宙中，正在经历霍金蒸发的原始黑洞，可以为伽玛射线暴提供合理的物理解释。

最近有一种新的学术观点认为，since 2015年以来捕获的黑洞的部分引力波信号可能来自双黑洞的原始合并过程。正是因为原始黑洞能够为宇宙学和天文实验观测提供丰富的科学目标，天文学家们一直在不懈努力捕捉这些“看不见的”细语。

无中生有的物质起伏

早在20世纪60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·霍金就指出了在非常早期的宇宙中形成原始黑洞的理论可能性。这在后来的宇宙学研究中被广泛讨论。霍金指出，宇宙刚刚经历了大爆炸的创造阶段，局部密集区的物质可能会因自身引力而坍缩，从而形成原始黑洞，在宇宙漫长的演化过程中不断影响宇宙的结构。

然而，这些局部的致密物质密度分布从何而来？为了回答这个问题，人们把注意力转向宇宙学的另一个重要课题。也就是宇宙在很早的阶段经历了怎样的物理起源和动态演化？

目前最主流的宇宙起源假说是美国宇宙学家阿兰·古斯在20世纪80年代提出的膨胀理论。他认为，宇宙诞生后，迅速进入了接近指数形式的加速膨胀阶段。这使得宇宙空之间的距离在大爆炸后的10-32秒内延伸了1026倍。形象地说，这意味着在很短的时间内，氢原子直径的空之间的距离扩大到大约一光年的尺度。

根据量子论，真正的空不是空，而是有非常小的随机波动。它们发生和消失的很快，波动范围很小，所以在一段时间内，它们是没有意义的。这被称为真正的空量子涨落。在膨胀过程中，宇宙中原本微小的真空量子涨落也会被拉长，当其波长超过由宇宙膨胀速度决定的一定尺度时，就会变成真实的物质密度涨落。宇宙膨胀越快，尺度越小。

从这一理论机制发展而来的宇宙扰动理论预言了一幅宇宙微波背景辐射的奇妙图景。1989年，人类发射了第一颗宇宙微波背景辐射卫星——宇宙背景探测器(Co宇宙背景探测器)，其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)和普朗克卫星的高精度实验数据验证了这一点。

密度扰动加速黑洞的形成

但在基于标准宇宙学模型的扰动理论中，原始黑洞生成率极低，通常不足以带来预期的观测效果。另外，膨胀会冲淡这期间任何过度的扰动，一些大的扰动要想形成原来的黑洞就必须存活。这给宇宙学和天文学对原始黑洞的探索蒙上了沉重的阴影。

为了解决这个问题，提高初级黑洞的生成率，中国科技大学的研究团队提出了一种全新的初级黑洞生成机制。他们指出，如果原始宇宙中存在以音速传播的物质密度扰动，形成周期性振荡，原始密度就会周期性叠加，增加原始黑洞的概率。这就像，当孩子站在秋千上做深蹲时，如果深蹲的频率是秋千摆动频率的偶数倍，秋千的摆动就会增加。

这种动力学机制可以在目前天文观测允许的限度内有效产生原生黑洞，质量分布很广。目前已经用引力波等手段探测到了不同质量的黑洞。但是它们的质量分布是不连续的。这是因为检测手段的限制，还是因为它们的质量分布就是这样？最新研究给出的答案是后者，黑洞的不连续质量分布会表现出一定的规律性。这需要更多的观察来验证。

研究分析还表明，这种原始的黑洞形成机制也可以为当前宇宙学观测中一定比例的暗物质成分提供重要的理论解释。随着天文学发展到多信使时代，原始黑洞的可测性越来越可靠。

关于宇宙在很早的原始时期是如何诞生原始黑洞的，还有很多未解之谜。目前的研究为我们理解这种神秘的奇怪黑洞提供了新的途径。随着天文观测技术和实验设备的飞速发展，我们相信在不久的将来，我们将有机会一窥原始黑洞的奥秘，它是宇宙中非常早期的天体。例如，计划在中国建造的12米光学望远镜和即将发射的詹姆斯·韦伯望远镜将能够深入探索宇宙的早期状态，并有望在寻找原始黑洞方面取得突破。目前备受关注的引力波天文学，将为区分黑洞的引力波来源提供更为详细的信息，识别这些引力波信号是否来自原始黑洞。(作者是中国科学技术大学天文学教授蔡义夫)