黑洞大概是宇宙中最神秘的事物之一。它如同一個(gè)貪婪的胖子，體重巨大，吞噬任何從它附近經(jīng)過的東西，包括光線。科學(xué)家認(rèn)為，恒星級質(zhì)量的黑洞可能形成于大質(zhì)量恒星在生命終點(diǎn)的爆發(fā)。而小質(zhì)量黑洞的碰撞并合，以及更小質(zhì)量黑洞吞噬氣體塵埃，會(huì)形成超大質(zhì)量黑洞。

但你有沒有想過，當(dāng)宇宙最初還是一片虛空時(shí)，最早的那些黑洞從何而來？這是科學(xué)家們思索了半個(gè)多世紀(jì)的問題。他們一直困惑于，無法在宇宙初期形成數(shù)量足夠多的原初黑洞。

近日國際權(quán)威期刊《物理評論快報(bào)》上刊發(fā)的一篇文章重新審視了原初黑洞的物理起源。該文指出，原初黑洞可能與宇宙暴脹時(shí)期的聲速擾動(dòng)息息相關(guān)。那么，原初黑洞到底從何而來？聲速擾動(dòng)又能如何幫助它加快形成？

早期宇宙養(yǎng)育的“大胖子”

原初黑洞是什么呢？簡而言之，就是宇宙在早期由于局域空間的物質(zhì)分布過于密集，導(dǎo)致物質(zhì)直接坍塌所形成的黑洞。它們的形成機(jī)制有別于通常情況下恒星坍縮形成的黑洞。可以想像的是，彼時(shí)的宇宙與當(dāng)前它幾乎空蕩蕩的狀態(tài)是截然不同的。極早期宇宙的溫度極高，物質(zhì)分布也呈現(xiàn)出極為稠密的等離子體態(tài)。原初黑洞就是在這個(gè)時(shí)期形成的。打個(gè)通俗的比喻，這就像在一鍋濃稠滾燙的熱粥里撒上了一把黑芝麻。

由于原初黑洞產(chǎn)生于宇宙原初時(shí)期，經(jīng)過漫長的熱膨脹歷史演化，它們中的許多可能已經(jīng)通過霍金蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛洳⑾ТM。不過，那些仍然殘留的原初黑洞為我們認(rèn)知宇宙提供了諸多重要的啟示。例如，原初黑洞被公認(rèn)為是占據(jù)了宇宙組分約四分之一的暗物質(zhì)的有效候選者。此外，恰好處于現(xiàn)在的宇宙中，而且正在發(fā)生霍金蒸發(fā)的原初黑洞，可以為伽馬射線暴提供合理的物理解釋。

近期有一種新的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，自2015年以來引力波激光干涉天文臺(tái)（LIGO）所捕獲的若干黑洞引力波信號(hào)，可能來自原初雙黑洞并合過程。正因?yàn)樵鹾诙纯梢詾橛钪鎸W(xué)和天文學(xué)實(shí)驗(yàn)觀測提供豐富的科學(xué)目標(biāo)，天文學(xué)家們一直都在為捕獲這些“看不見”的天外來客做著不懈努力。

無中生有的物質(zhì)起伏

早在1960年代，蘇聯(lián)物理學(xué)家雅科夫·澤爾多維奇和英國物理學(xué)家斯蒂芬·霍金分別指出了在極早期宇宙中形成原初黑洞的理論可能性。這在后來的宇宙學(xué)研究中被廣泛探討。霍金指出，宇宙剛剛經(jīng)歷大爆炸創(chuàng)生階段之后，局部密集區(qū)域的物質(zhì)可能由于自身引力作用發(fā)生坍縮，從而形成原初黑洞，并在宇宙后續(xù)的漫長演化中不斷影響著宇宙的結(jié)構(gòu)。

然而，這些局部密集的物質(zhì)密度分布從何而來呢？為了回答這一問題，人們將目光投向了宇宙學(xué)的另一個(gè)重要話題。那就是，宇宙在極早期經(jīng)歷了怎樣的物理起源和動(dòng)力學(xué)演化？

當(dāng)前最主流的宇宙起源假說是美國宇宙學(xué)家阿蘭·古斯在上世紀(jì)80年代提出的暴脹學(xué)說。他認(rèn)為宇宙誕生后迅速進(jìn)入了一段接近于指數(shù)形式的加速膨脹階段。這讓宇宙的空間尺度在大爆炸發(fā)生之后約10-32秒內(nèi)發(fā)生了約1026倍的拉伸。形象地說，這意味著在非常短的時(shí)間內(nèi)，一個(gè)氫原子直徑大小的空間距離被放大為約一光年的尺度。

量子理論認(rèn)為，真空并不空，而是存在隨機(jī)的非常小的漲落。它們很快發(fā)生又消失，而且漲落幅度非常小，因此在一段時(shí)間內(nèi)看來，它們并沒有意義。這被稱作真空量子漲落。在暴脹期間，宇宙中原本極為微小的真空量子漲落同樣會(huì)被拉伸開，并會(huì)在其波長超過某個(gè)由宇宙膨脹速度決定的尺度時(shí)，成為真實(shí)的物質(zhì)密度起伏。宇宙膨脹速度越快，這個(gè)尺度越小。

由此理論機(jī)制所發(fā)展起來的宇宙學(xué)擾動(dòng)理論預(yù)言了一個(gè)巧奪天工的宇宙微波背景輻射圖景。1989年人類發(fā)射了第一枚宇宙微波背景輻射衛(wèi)星——宇宙背景探測器（COBE），它公布的觀測數(shù)據(jù)支持了這一理論。之后威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）以及普朗克（Planck）衛(wèi)星的高精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

密度擾動(dòng)加速黑洞形成

然而，在基于標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型所建立起來的擾動(dòng)理論中，原初黑洞的產(chǎn)生率是極為低下的，通常不足以帶來令人期待的觀測效應(yīng)。另外，暴脹會(huì)稀釋掉在這期間所產(chǎn)生的任何過大擾動(dòng)，想要形成原初黑洞就必須讓一些大的擾動(dòng)存活下來。這為在宇宙學(xué)和天文學(xué)上探尋原初黑洞籠罩上了重重陰影。

為了解決這個(gè)問題，提高原初黑洞的產(chǎn)生率，中國科大的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種嶄新的原初黑洞產(chǎn)生機(jī)制。他們指出， 如果原初宇宙中存在以聲速傳播的物質(zhì)密度擾動(dòng)，且形成周期性振蕩，那么原初密度將發(fā)生周期性疊加，增加原初黑洞的產(chǎn)生幾率。這就好比，當(dāng)一個(gè)小孩站在秋千上做下蹲運(yùn)動(dòng)，若下蹲運(yùn)動(dòng)頻率為秋千擺蕩頻率的偶數(shù)倍時(shí)，秋千擺動(dòng)會(huì)隨之增大。

這種動(dòng)力學(xué)機(jī)制可以在當(dāng)前天文學(xué)觀測限制允許的范圍內(nèi)十分有效地產(chǎn)生原初黑洞，其質(zhì)量分布非常寬泛。目前通過引力波等手段已經(jīng)探測到了不同質(zhì)量的黑洞。但它們的質(zhì)量分布并不連續(xù)。這是因?yàn)槭艿教綔y手段的限制，還是因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量分布本就如此？最新研究給出的答案是后者，而且黑洞不連續(xù)的質(zhì)量分布還會(huì)展現(xiàn)出某種規(guī)律。這有待更多觀測的驗(yàn)證。

研究分析還表明，這種原初黑洞形成機(jī)制還可以為當(dāng)前宇宙學(xué)觀測中一定比例的暗物質(zhì)組分提供重要的理論解釋。隨著天文學(xué)發(fā)展走進(jìn)了多信使時(shí)代，原初黑洞的可檢驗(yàn)性也變得愈發(fā)可靠。

關(guān)于宇宙如何在極早的原初時(shí)期孕育出原初黑洞，還有很多未解的謎團(tuán)。當(dāng)前研究為我們了解這類神秘的奇異黑洞提供了一個(gè)新的思路。而隨著天文學(xué)觀測技術(shù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的迅速發(fā)展，相信在不久的將來，我們有機(jī)會(huì)一窺原初黑洞這類宇宙極早期天體的奧秘。例如，中國計(jì)劃建設(shè)的12米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡以及即將發(fā)射的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡等先進(jìn)設(shè)備，將能深入探索宇宙極早期的狀態(tài)，有望在原初黑洞的搜尋方面取得突破。而當(dāng)前備受關(guān)注的引力波天文學(xué)將會(huì)為分辨黑洞引力波源提供更為詳盡的信息，對這些引力波信號(hào)是否來自原初黑洞予以辨認(rèn)。（作者系中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文系教授）