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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,尤其是對于它內部是什么樣,直到今天仍然是眾說紛紜。

但是對于黑洞的形成,這個現(xiàn)在科學界倒是早已達成了共識。

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。

從小質量的恒星級黑洞,到上百倍太陽質量的中等質量黑洞,再到星系中心,可以達到百億倍太陽質量的超大質量黑洞。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食慢慢一點點吃大的,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,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。

所以天體物理學家們認為,宇宙中一定還有什么機制可以使這些超大質量黑洞得以快速形成。

關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,有一種理論認為,這些超大質量黑洞當初或許根本不是由普通物質構成的,而是直接由暗物質聚集而成。這些暗物質黑洞就像一粒“種子”,通過引力逐漸吸引周圍的普通物質向它聚集,直至形成百億倍太陽質量的超大質量黑洞。這些暗物質構成的“種子黑洞”就被認為是一種原初黑洞。

目前認為宇宙年齡大約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。

其實原初黑洞這個概念,最早霍金他們在上世紀七十年代就想到過,雖然當時暴脹理論還沒提出。目前關于原初黑洞的主流理論,認為它的本質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,宇宙此時有著極高的溫度和壓強,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。當暴脹結束后,一些密度漲落較大的區(qū)域,就會因為質量足夠大,導致這部分區(qū)域直接坍縮成了一個黑洞。

其實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《物理學快報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“標量場”。對于處于最低勢能的真空來說,它可以是標量場的零點,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量場零點的真空來說,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量場零點的真空來說,它則像是一種“液態(tài)”的真空。

當然,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)”真空的特點是粒子在它中間穿行暢通無阻,而“液態(tài)”真空的特點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”效應帶來的后果就是一些基本粒子因此獲得了質量。

沒錯,這正是希格斯機制的主要作用,希格斯場就是這樣的一種標量場。

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)轉變?yōu)榱硪环N真空態(tài)的這個過程,屬于物理學上的“一級相變”。

對于宇宙空間來說,從當初大爆炸時極熱的“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。隨著泡泡的擴張,原本位于舊真空中的基本粒子會穿過泡泡壁,進入新真空的泡泡中。

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”了,它們會因為能量不夠,無法穿透泡泡壁進入新真空,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“夾縫內生存”的基本粒子來說,當壓強大到足以和真空產(chǎn)生的壓強抗衡時,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“費米球”。

費米求它是一種由費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”的力會使費米球向內坍縮成黑洞。

這些由費米球形成的黑洞就是一種原初黑洞,因為此時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,還是暴脹導致的,又或者是暗物質直接構成的,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)在還沒有任何實際證據(jù)。

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

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