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有關(guān)原初黑洞的故事

2022/07/06
導(dǎo)讀
如果你被原初黑洞擊中會(huì)發(fā)生什么呢？

黑洞H1821+643，圖片來(lái)源：X-ray: NASA/CXC/Univ. of Cambridge/J. Sisk-Reynés et al.


編譯 | 鄧舒夏，茍利軍


認(rèn)為黑洞可能在大爆炸后不久就形成的想法可以追溯到1966年，當(dāng)時(shí)物理學(xué)家Yakov Zel’dovich 和 Igor Novikov 首次提出了黑洞的存在。到20世紀(jì)70年代中期，史蒂芬·霍金和他的同事Bernard Carr提出并發(fā)展了這一概念。


我們目前關(guān)于宇宙如何形成的理論是不允許黑洞在早期宇宙中被創(chuàng)造出來(lái)的。相反，恒星和星系最初是由宇宙的早期波動(dòng)而形成。黑洞的形成時(shí)間要晚得多，要等到第一批遠(yuǎn)古恒星死亡之后。


但是，如果原初黑洞（primordial black holes）真的在大爆炸后一秒就形成，那么情況就會(huì)不同了?；艚鸷虲arr認(rèn)為，原初黑洞的形成可能是早期宇宙密度波動(dòng)的結(jié)果。在他們的模型中，宇宙中質(zhì)量略高于平均質(zhì)量的區(qū)域可能會(huì)自行坍塌，形成這些種子黑洞。兩人在1974年的一篇論文中寫(xiě)道：“今天星系的存在意味著早期宇宙一定是不均勻的。一些區(qū)域可能被壓縮得非常致密，以至于它們經(jīng)歷了引力坍塌，從而產(chǎn)生了黑洞?！?/span>


霍金和Carr預(yù)測(cè)，原初黑洞的大小可能有多種，從小到10μg到大到1萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。這與恒星形成的黑洞非常不同，它往往在5到10個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，并受到坍塌形成它們的恒星大小的限制。


20世紀(jì)90年代，宇宙膨脹理論的發(fā)展，最終解釋了宇宙最初的密度波動(dòng)可能來(lái)自哪里。這一概念最近又吸引了人們的關(guān)注，因?yàn)長(zhǎng)IGO-Virgo在2016年首次探測(cè)到了由雙星黑洞合并引起的引力波。所涉及到的黑洞大?。ㄔ?0—50個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的范圍內(nèi)）比預(yù)期的要大，這讓一些人猜測(cè)這對(duì)黑洞是原初起源的。


從那時(shí)起，LIGO到目前已經(jīng)探測(cè)到了幾十個(gè)黑洞合并。根據(jù)日內(nèi)瓦大學(xué)的宇宙學(xué)家Gabriele Franciolini及其同事去年發(fā)表的貝葉斯分析結(jié)果，這些雙星黑洞中有多達(dá)24個(gè)很可能是在早期宇宙中形成的。


黑洞效應(yīng)。在宇宙歷史的標(biāo)準(zhǔn)模型中，一方面，暗物質(zhì)仍然是一個(gè)懸而未決的謎團(tuán)，原初黑洞并不是其中的一部分。另一方面，如果暗物質(zhì)確實(shí)主要由大爆炸后不久形成的黑洞組成，那么在早期宇宙中，會(huì)有更多的恒星和星系會(huì)圍繞它們而形成。去年發(fā)射的詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）在研究早期星系和恒星的形成時(shí)，將重點(diǎn)關(guān)注的正是這個(gè)時(shí)代。如果原初黑洞存在的話，激光干涉儀太空天線（LISA）將于21世紀(jì)30年代發(fā)射，它將能夠從原初黑洞的早期合并中提取引力波信號(hào)，為我們提供更多的證據(jù)




很久以前

今年耶魯大學(xué)的Priyamvada Natarajan及其同事的一項(xiàng)研究進(jìn)一步推動(dòng)了“原初黑洞真的是宇宙中暗物質(zhì)”的想法。她們提出，如果原初黑洞的大多數(shù)是由大約1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量形成的，那么它們可以解釋宇宙中所有的暗物質(zhì)。模型表明這些原初黑洞能提供引力錨，圍繞著這些原初黑洞形成了第一批恒星和星系。事實(shí)上，根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，這些早期的黑洞可能已經(jīng)消耗了它們附近的恒星和氣體，使它們成為今天位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞的前身。


Natarajan說(shuō)：“如果原初黑洞確實(shí)存在的話，它們很可能是所有超大質(zhì)量黑洞形成的種子，包括銀河系中心的那個(gè)。我個(gè)人覺(jué)得這個(gè)想法非常令人興奮，因?yàn)樗擅畹貙⑽艺谘芯康膬蓚€(gè)真正具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題（暗物質(zhì)的性質(zhì)和黑洞的形成和增長(zhǎng)）完美地結(jié)合在一起，并一舉解決了它們?！?/span>


原初黑洞的存在還可能解決另一個(gè)長(zhǎng)期存在的宇宙學(xué)難題，即天文學(xué)家探測(cè)到的來(lái)自宇宙中的各種微弱、遙遠(yuǎn)的過(guò)量紅外輻射。根據(jù)Natarajan團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，她們的模型完美地預(yù)測(cè)了，因?yàn)槲镔|(zhì)吸積，原初黑洞的增長(zhǎng)將產(chǎn)生完全相同的輻射特征。




離家更近

考慮到原初黑洞可能在宇宙中大量存在，那么它撞擊地球的可能性有多大，如果真的發(fā)生了，會(huì)發(fā)生什么？伊朗謝里夫理工大學(xué)的Sohrab Rahvar假設(shè)原初黑洞可以解釋銀河系中銀暈和暗盤(pán)中的所有暗物質(zhì)，他計(jì)算得到地球大約每10億年會(huì)與一個(gè)質(zhì)量為1012千克的原初黑洞相撞一次。他解釋說(shuō)，這是在宇宙當(dāng)前壽命內(nèi)、霍金輻射蒸發(fā)后可能幸存下來(lái)的、質(zhì)量較低的原初黑洞范圍之內(nèi)（任何在大爆炸后不久誕生的質(zhì)量小于1011千克的原初黑洞現(xiàn)在都已經(jīng)蒸發(fā)了）。雖然更大的黑洞可能仍然存在，但它們與地球相撞的概率在我們地球的整個(gè)生命周期中遇不到一次。


“當(dāng)?shù)厍蛘诖┻^(guò)黑暗的銀暈時(shí)，可以吸引原始黑洞?！盧ahvar說(shuō)。正如他所指出的那樣，原初黑洞會(huì)穿過(guò)地球，因?yàn)樗膭?dòng)能太高，不能被困在里面。由于與行星物質(zhì)的引力相互作用產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)摩擦力，以及物質(zhì)向黑洞吸積產(chǎn)生的動(dòng)量轉(zhuǎn)移，原初黑洞將被減慢。


由此，關(guān)于黑洞與地球的碰撞，人們可以想象出兩種可能的結(jié)果。一種可能性是，它會(huì)穿越地球并到地球的另外一側(cè)，在這個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)移它的一些能量。另外一種可能是，黑洞的速度會(huì)變得如此之慢，以至于它會(huì)螺旋式下降到行星的核心。Rahvar解釋說(shuō)，此時(shí)，地球?qū)⒆⒍缤?。黑洞中物質(zhì)的吸積將加熱地球內(nèi)部，使黑洞不斷生長(zhǎng)。最終，整個(gè)地球都將被黑洞所吞噬。


很幸運(yùn)的是，他的計(jì)算表明，如果原初黑洞確實(shí)構(gòu)成了我們銀河系的暗物質(zhì)，它們將具有如此高的彌散速度（大約200 km/s），以至于只能飛經(jīng)我們的家，而不會(huì)停在地球上。Rahvar說(shuō)：“我們預(yù)計(jì)，在地球的一生中，可能會(huì)有多達(dá)四次的原始黑洞碰撞，”他補(bǔ)充說(shuō)，“幸運(yùn)的是，即使在碰撞的情況下，將一個(gè)黑洞困在地球內(nèi)部的可能性幾乎為零。”




太空殺手的碰撞

即使原初黑洞不會(huì)摧毀地球，我們可能仍然想知道當(dāng)一個(gè)原初黑洞在我們的星球上呼嘯而過(guò)時(shí)會(huì)發(fā)生什么，以及它是否會(huì)留下任何我們可以檢測(cè)到的作為它們存在的痕跡。考慮到這一點(diǎn)，Rahvar計(jì)算出，小行星的撞擊釋放的能量實(shí)際上是同等質(zhì)量原初黑洞的五倍。即使它們能量大小相等，黑洞引發(fā)世界末日的可能性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于小行星。


然而，Rahvar繼續(xù)指出，原初黑洞將會(huì)對(duì)局部產(chǎn)生顯著的影響。原初黑洞的通過(guò)可能會(huì)熔化地球內(nèi)部半徑近10cm的圓柱體。在很短的時(shí)間內(nèi)，這條隧道就會(huì)凍結(jié)，從理論上講，這將在巖石記錄中產(chǎn)生明顯的變質(zhì)指紋。但考慮到在地球的一生中可能只會(huì)發(fā)生8次類(lèi)似的這種事件（每一次碰撞事件在地球兩側(cè)各產(chǎn)生一個(gè)），Rahvar承認(rèn)，“我認(rèn)為這樣的地質(zhì)痕跡很難檢測(cè)到?！?/span>




無(wú)限小的可能，但致命的結(jié)局

地球在我們的有生之年被黑洞擊中的可能性是微乎其微的，更不用說(shuō)一個(gè)人了，但它從來(lái)都不是零。那么，如果你被原初黑洞擊中會(huì)發(fā)生什么呢？研究人員提出，原子大小的原初黑洞大約需要0.01ms才能穿過(guò)人體。盡管這個(gè)過(guò)程非?？?，但原初黑洞的引力效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致人體縮小很多，造成嚴(yán)重?fù)p害并立即死亡。


與此同時(shí)，Rahvar指出了一個(gè)不同但同樣致命的結(jié)果：原初黑洞會(huì)在其路徑上焚燒身體。“會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)死亡的不是直接吞噬人體到原初黑洞內(nèi)。死亡的主要原因是，物質(zhì)被黑洞吸積會(huì)釋放出很多高能光子，這些光子使得身體被燒傷。”


隨著初步研究的完成，Rahvar現(xiàn)在正在研究是否有可能利用太空望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到銀河系中的原初黑洞，方法是利用它們對(duì)前景恒星的微透鏡效應(yīng)。他解釋說(shuō)：“有了羅曼太空望遠(yuǎn)鏡（Roman Space Telescope）或詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡（JWST）這樣的太空望遠(yuǎn)鏡，我們可能會(huì)在不久的將來(lái)探測(cè)到或排除小質(zhì)量的原始黑洞?！?/span>


Rahvar還在模擬原初黑洞如何與位于太陽(yáng)系外圍的奧爾特云相互作用，以及這些微小但質(zhì)量巨大的天體是否能夠?qū)⒈镔|(zhì)從外圍拋入太陽(yáng)系的中心。


  • 本文由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)鄧舒夏、茍利軍編譯自Ian Randall. Physics World，2022，(5)：33，并選自《物理》2022年第6期；首發(fā)于微信公眾號(hào)《中國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊網(wǎng)》，賽先生獲授權(quán)轉(zhuǎn)載


制版|小圭月
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