神秘的原初黑洞：誕生于宇宙之初的它們，究竟是如何形成的？

黑洞可以說是宇宙中最神秘的一種天體了，尤其是對于它內(nèi)部是什么樣，直到今天仍然是眾說紛紜。

【資料圖】

但是對于黑洞的形成，這個現(xiàn)在科學(xué)界倒是早已達(dá)成了共識。

不過還有一種黑洞，目前我們對他它仍然知之甚少，它是怎么形成的，具體何時形成的，甚至連它是否真的存在，這些都不確定。

它就是今天我們要介紹的原初黑洞。

從小質(zhì)量的恒星級黑洞，到上百倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞，再到星系中心，可以達(dá)到百億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。這些都是或多或少已經(jīng)被我們觀測到的“常見”黑洞。

它們有的是恒星坍縮直接形成的，有的是通過吸積盤進(jìn)食慢慢一點(diǎn)點(diǎn)吃大的，有的則干脆是通過“大魚吃小魚”這種方式直接吞并形成的。

按照傳統(tǒng)觀點(diǎn)，無論是哪種方式，它們最初的前身都來自于一顆顆的恒星。

但是對于某些現(xiàn)象，這種觀點(diǎn)卻無法予以解釋。

比如說對于巨大的橢圓形系中心的超大質(zhì)量黑洞來說，即使是通過最高效的合并的方式，它成長得還是太快了。理論上，今天的宇宙中不應(yīng)該存在如此巨大的黑洞，更別說那些誕生于宇宙早期的類星體了。

所以天體物理學(xué)家們認(rèn)為，宇宙中一定還有什么機(jī)制可以使這些超大質(zhì)量黑洞得以快速形成。

關(guān)于這個話題之前還專門做過一期感興趣的可以看下。

在眾多猜想中，有一種理論認(rèn)為，這些超大質(zhì)量黑洞當(dāng)初或許根本不是由普通物質(zhì)構(gòu)成的，而是直接由暗物質(zhì)聚集而成。這些暗物質(zhì)黑洞就像一粒“種子”，通過引力逐漸吸引周圍的普通物質(zhì)向它聚集，直至形成百億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。這些暗物質(zhì)構(gòu)成的“種子黑洞”就被認(rèn)為是一種原初黑洞。

目前認(rèn)為宇宙年齡大約137億歲。第一批恒星最早出現(xiàn)在宇宙大約1億歲的時候，而對于原初黑洞來說，它們誕生得或許比這還要早得多得多，甚至于形成在大爆炸之初的暴脹時期，這種不經(jīng)歷恒星坍縮直接誕生于宇宙形成之初的黑洞，我們統(tǒng)稱其為原初黑洞。

其實(shí)原初黑洞這個概念，最早霍金他們在上世紀(jì)七十年代就想到過，雖然當(dāng)時暴脹理論還沒提出。目前關(guān)于原初黑洞的主流理論，認(rèn)為它的本質(zhì)是被暴脹放大的能量密度漲落。

之前我們說過，根據(jù)熱大爆炸模型，在大爆炸的第一秒內(nèi)，宇宙此時有著極高的溫度和壓強(qiáng)，這時候如果空間密度出現(xiàn)些許擾動，這些局部區(qū)域的波動就會被暴脹過程迅速放大。當(dāng)暴脹結(jié)束后，一些密度漲落較大的區(qū)域，就會因?yàn)橘|(zhì)量足夠大，導(dǎo)致這部分區(qū)域直接坍縮成了一個黑洞。

其實(shí)對于原初黑洞的形成，除了這種基于暴脹的主流理論外，還有很多其他理論。

比如2022年1月份《物理學(xué)快報(bào)B》上發(fā)表的一篇論文，研究人員描述了一種由宇宙輻射時期的真空衰變導(dǎo)致的原初黑洞，之前在量子系列我們說過，真空并非真的空無一物，雖然它是勢能最低的一種量子場，但是微觀層面它一直存在著量子漲落。

除此之外，從量子場論的角度來看，這里還存在著另外一種只有大小沒有方向的“標(biāo)量場”。對于處于最低勢能的真空來說，它可以是標(biāo)量場的零點(diǎn)，這是兩種截然不同的真空形態(tài)。

首先，對于勢能最低值等于標(biāo)量場零點(diǎn)的真空來說，你可以把它想象成一種“氣態(tài)”的真空，而對于勢能最低值不等于標(biāo)量場零點(diǎn)的真空來說，它則像是一種“液態(tài)”的真空。

當(dāng)然，這里“氣態(tài)”和“液態(tài)”都是打了引號的，僅僅是種比喻。“氣態(tài)”真空的特點(diǎn)是粒子在它中間穿行暢通無阻，而“液態(tài)”真空的特點(diǎn)是粒子穿行的時候會受到一股阻力，就和人在水中行走時的感覺一樣，這種“受阻滯”效應(yīng)帶來的后果就是一些基本粒子因此獲得了質(zhì)量。

沒錯，這正是希格斯機(jī)制的主要作用，希格斯場就是這樣的一種標(biāo)量場。

前面說的“真空衰變”說的就是通過溫度變化，空間從一種真空態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N真空態(tài)的這個過程，屬于物理學(xué)上的“一級相變”。

對于宇宙空間來說，從當(dāng)初大爆炸時極熱的“氣態(tài)”真空逐漸冷卻成“液態(tài)”真空，這就是宇宙學(xué)上的一級相變。

另外，真空的這種相變對于整個宇宙來說，并不是瞬間完成的，它也需要一個過程，就像沸騰的水中出現(xiàn)的氣泡，新的真空可能也像泡泡一樣，出現(xiàn)在宇宙空間的各個角落。這些真空泡由于壓強(qiáng)差會迅速向外膨脹，在這些泡泡不斷變大的過程中，不同泡泡之間會發(fā)生碰撞而合并。最終，整個宇宙將被這些泡泡填滿。

至此，宇宙空間完成了一次徹底的相變。

那上面說的這些和原初黑洞又有什么關(guān)系呢？

原初黑洞或許就誕生于這些碰撞的泡泡之間。隨著泡泡的擴(kuò)張，原本位于舊真空中的基本粒子會穿過泡泡壁，進(jìn)入新真空的泡泡中。

但是對于某些能量較低的粒子來說，它可能就沒有那么“幸運(yùn)”了，它們會因?yàn)槟芰坎粔?，無法穿透泡泡壁進(jìn)入新真空，因此一直處于舊真空中。

隨著泡泡的膨脹，慢慢地整個宇宙剩下的舊真空越來越少，那些無法進(jìn)入泡泡的粒子，全都被困在了狹小的夾縫之中。對于這些“夾縫內(nèi)生存”的基本粒子來說，當(dāng)壓強(qiáng)大到足以和真空產(chǎn)生的壓強(qiáng)抗衡時，這些基本粒子以及所在的舊真空，就會形成非常致密的小球，他們被稱為“費(fèi)米球”。

費(fèi)米求它是一種由費(fèi)米子聚集而成的微米級球體，密度比中子星還要大得多。在這么小的尺度上，一種被稱為“湯川相互作用”的力會使費(fèi)米球向內(nèi)坍縮成黑洞。

這些由費(fèi)米球形成的黑洞就是一種原初黑洞，因?yàn)榇藭r距離第一顆恒星的誕生至少還有上億年。

無論是宇宙相變產(chǎn)生的，還是暴脹導(dǎo)致的，又或者是暗物質(zhì)直接構(gòu)成的，原初黑洞的理論目前還都僅僅只是初步猜測，對于它是否存在，現(xiàn)在還沒有任何實(shí)際證據(jù)。

不過原初黑洞一直是宇宙學(xué)領(lǐng)域的熱門話題之一，現(xiàn)在有越來越多的理論被提出，加上對撞機(jī)、引力波探測器以及韋伯望遠(yuǎn)鏡。希望未來在實(shí)驗(yàn)方面，我們也能有新的發(fā)現(xiàn)。

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