出道最早的黑洞,只比宇宙誕生晚了幾秒鐘!

黑洞 宇宙 探索 科學 科學人物誌 2018-11-27

原文作者:子墨沙龍

我們知道,在宇宙的深處,散佈著各種各樣的黑洞。這些黑洞有的大,有的小,可以按照體重分成幾類。

有一種黑洞,重量通常是太陽的5~15倍


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這種黑洞是大型恆星死亡後,直接坍縮成的。自打從“孃胎”裡出來,它就沒怎麼吃過東西,所以從生物學上講,它是嬰兒肥


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除此之外,還有一種黑洞,重量能達到太陽的100~10萬倍。它肥的原因是……


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其實,沒管住嘴也曾經是一個嬰兒肥。

如果一個嬰兒肥黑洞的周圍恰好存在很多氣體、很多恆星、或者很多其他嬰兒肥,它的嘴巴就會失去控制:吃完辣條吃烤雞,吃完廚師吃服務員,吃完南京路吃外灘,在100多億年中,從一個小屁孩,吃成一個大胖團。


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總而言之,天上的黑洞,一部分是嬰兒肥,一部分是沒管住嘴。天文學家雖然查不到它們的戶口本,但是對它們的來歷還是比較有把握的。

可是,2016年2月11日,LIGO實驗宣佈,他們通過引力波信號,探測到了兩個黑洞合併。


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天文學家發現,這倆黑洞既不屬於嬰兒肥,也不屬於沒管住嘴。因為其中一個黑洞的質量是太陽的36倍,另一個是太陽的29倍,合併成連體黑洞後的質量是太陽的62倍。

於是,天文學家開始好奇它們是從哪兒來的!

你可能會問,

它們為什麼不屬於嬰兒肥呢?


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在嬰兒肥看來,由於恆星的質量不可能太大,所以,恆星死後形成的黑洞的質量也不可能太大。由此推斷,這倆黑洞顯然不是恆星形成的。


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那麼,

為什麼它們也不屬於沒管住嘴?


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於是,引力波成功探測,給天文學家出了一個難題:

這倆黑洞到底是咋形成的呢?

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那麼,是不是完全沒有辦法解釋這兩個黑洞的來歷呢?倒也不是!

除了嬰兒肥和沒管住嘴之外,天文學家還有一種理論。這種理論認為,在宇宙大爆炸剛剛發生的時候,也就宇宙剛誕生不到1分鐘的時候,許多原始物質就已經坍縮成黑洞了。

這種黑洞叫原初黑洞,意思是出道早


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但是,原初黑洞的理論有兩個致命的bug!第一,也就是最致命的一點,原初黑洞的產生概率很低。


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第二,根據計算,這種原初黑洞質量的分佈範圍非常大。最小的黑洞比人的卵細胞還要輕,最大的比太陽還要重幾千倍。


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你看看,原初黑洞產生的概率很低,質量又可大可小,你要說剛好產生了兩個質量是太陽30倍的黑洞,而且還睡一張床,打死天文學家也不信。

於是,原初黑洞仍然是一個令天文學家頭疼的問題。


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2018年,中國科學技術大學的蔡一夫團隊,在《物理評論快報》上發表了一篇論文,提出了一種能夠批量形成原初黑洞的新機制!


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他們假設,在早期宇宙中,物質相互擠壓時產生的“聲波”的速度很不穩定,會發生週期性的振盪。在“聲速”振盪的作用下,物質本身的振盪就會發生共振,從而相互疊加,產生大量原初黑洞。這就可以大大提高原初黑洞產生的概率。於是,這個假設就解決了原初黑洞理論的第一個bug!

用蔡一夫教授的話來說,早期宇宙的原始物質就像一鍋熱粥,原初黑洞就像熱粥裡撒上了一把黑芝麻。


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並且,由於物質的振盪會和聲速的振盪發生共振,原初黑洞的質量不會忽大忽小,而是集中在幾個狹窄的範圍中。這就解決了原初黑洞理論的第二個bug!


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於是,蔡一夫團隊的研究,用一個代價很小的假設,解決了原初黑洞產生比率和質量範圍的問題。他們的假設如果得到證實,就可能幫助產生引力波的那兩個黑洞,搞清楚自己的身世!


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