黑洞可以说是宇宙中最神秘的一种天体了,尤其是对于它内部是什么样,直到今天仍然是众说纷纭。
(资料图片仅供参考)
但是对于黑洞的形成,这个现在科学界倒是早已达成了共识。
不过还有一种黑洞,目前我们对他它仍然知之甚少,它是怎么形成的,具体何时形成的,甚至连它是否真的存在,这些都不确定。
它就是今天我们要介绍的原初黑洞。
从小质量的恒星级黑洞,到上百倍太阳质量的中等质量黑洞,再到星系中心,可以达到百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这些都是或多或少已经被我们观测到的“常见”黑洞。
它们有的是恒星坍缩直接形成的,有的是通过吸积盘进食慢慢一点点吃大的,有的则干脆是通过“大鱼吃小鱼”这种方式直接吞并形成的。
按照传统观点,无论是哪种方式,它们最初的前身都来自于一颗颗的恒星。
但是对于某些现象,这种观点却无法予以解释。
比如说对于巨大的椭圆形系中心的超大质量黑洞来说,即使是通过最高效的合并的方式,它成长得还是太快了。理论上,今天的宇宙中不应该存在如此巨大的黑洞,更别说那些诞生于宇宙早期的类星体了。
所以天体物理学家们认为,宇宙中一定还有什么机制可以使这些超大质量黑洞得以快速形成。
关于这个话题之前还专门做过一期感兴趣的可以看下。
在众多猜想中,有一种理论认为,这些超大质量黑洞当初或许根本不是由普通物质构成的,而是直接由暗物质聚集而成。这些暗物质黑洞就像一粒“种子”,通过引力逐渐吸引周围的普通物质向它聚集,直至形成百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这些暗物质构成的“种子黑洞”就被认为是一种原初黑洞。
目前认为宇宙年龄大约137亿岁。第一批恒星最早出现在宇宙大约1亿岁的时候,而对于原初黑洞来说,它们诞生得或许比这还要早得多得多,甚至于形成在大爆炸之初的暴胀时期,这种不经历恒星坍缩直接诞生于宇宙形成之初的黑洞,我们统称其为原初黑洞。
其实原初黑洞这个概念,最早霍金他们在上世纪七十年代就想到过,虽然当时暴胀理论还没提出。目前关于原初黑洞的主流理论,认为它的本质是被暴胀放大的能量密度涨落。
之前我们说过,根据热大爆炸模型,在大爆炸的第一秒内,宇宙此时有着极高的温度和压强,这时候如果空间密度出现些许扰动,这些局部区域的波动就会被暴胀过程迅速放大。当暴胀结束后,一些密度涨落较大的区域,就会因为质量足够大,导致这部分区域直接坍缩成了一个黑洞。
其实对于原初黑洞的形成,除了这种基于暴胀的主流理论外,还有很多其他理论。
比如2022年1月份《物理学快报B》上发表的一篇论文,研究人员描述了一种由宇宙辐射时期的真空衰变导致的原初黑洞,之前在量子系列我们说过,真空并非真的空无一物,虽然它是势能最低的一种量子场,但是微观层面它一直存在着量子涨落。
除此之外,从量子场论的角度来看,这里还存在着另外一种只有大小没有方向的“标量场”。对于处于最低势能的真空来说,它可以是标量场的零点,这是两种截然不同的真空形态。
首先,对于势能最低值等于标量场零点的真空来说,你可以把它想象成一种“气态”的真空,而对于势能最低值不等于标量场零点的真空来说,它则像是一种“液态”的真空。
当然,这里“气态”和“液态”都是打了引号的,仅仅是种比喻。“气态”真空的特点是粒子在它中间穿行畅通无阻,而“液态”真空的特点是粒子穿行的时候会受到一股阻力,就和人在水中行走时的感觉一样,这种“受阻滞”效应带来的后果就是一些基本粒子因此获得了质量。
没错,这正是希格斯机制的主要作用,希格斯场就是这样的一种标量场。
前面说的“真空衰变”说的就是通过温度变化,空间从一种真空态转变为另一种真空态的这个过程,属于物理学上的“一级相变”。
对于宇宙空间来说,从当初大爆炸时极热的“气态”真空逐渐冷却成“液态”真空,这就是宇宙学上的一级相变。
另外,真空的这种相变对于整个宇宙来说,并不是瞬间完成的,它也需要一个过程,就像沸腾的水中出现的气泡,新的真空可能也像泡泡一样,出现在宇宙空间的各个角落。这些真空泡由于压强差会迅速向外膨胀,在这些泡泡不断变大的过程中,不同泡泡之间会发生碰撞而合并。最终,整个宇宙将被这些泡泡填满。
至此,宇宙空间完成了一次彻底的相变。
那上面说的这些和原初黑洞又有什么关系呢?
原初黑洞或许就诞生于这些碰撞的泡泡之间。随着泡泡的扩张,原本位于旧真空中的基本粒子会穿过泡泡壁,进入新真空的泡泡中。
但是对于某些能量较低的粒子来说,它可能就没有那么“幸运”了,它们会因为能量不够,无法穿透泡泡壁进入新真空,因此一直处于旧真空中。
随着泡泡的膨胀,慢慢地整个宇宙剩下的旧真空越来越少,那些无法进入泡泡的粒子,全都被困在了狭小的夹缝之中。对于这些“夹缝内生存”的基本粒子来说,当压强大到足以和真空产生的压强抗衡时,这些基本粒子以及所在的旧真空,就会形成非常致密的小球,他们被称为“费米球”。
费米求它是一种由费米子聚集而成的微米级球体,密度比中子星还要大得多。在这么小的尺度上,一种被称为“汤川相互作用”的力会使费米球向内坍缩成黑洞。
这些由费米球形成的黑洞就是一种原初黑洞,因为此时距离第一颗恒星的诞生至少还有上亿年。
无论是宇宙相变产生的,还是暴胀导致的,又或者是暗物质直接构成的,原初黑洞的理论目前还都仅仅只是初步猜测,对于它是否存在,现在还没有任何实际证据。
不过原初黑洞一直是宇宙学领域的热门话题之一,现在有越来越多的理论被提出,加上对撞机、引力波探测器以及韦伯望远镜。希望未来在实验方面,我们也能有新的发现。
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