黑洞中的害群之马

T印度裔美籍天体物理学家Subrahmanyan Chandrasekhar曾经说过，黑洞是宇宙中最简单、最完美的宏观物体。黑洞是一种时空区域，其引力场如此强大，甚至连光都无法逃脱它的控制。然而，这种简单并没有阻止宇宙变成一个名副其实的黑洞动物园。它们的质量从太阳的几倍到数十亿倍不等。

由恒星坍塌形成的恒星质量黑洞被认为是数量最多的。偶尔它们会被彼此的引力所困，并在壮观的宇宙暴力过程中合并。正是通过这种大约15亿光年之外的“二元合并”，人类第一次成功地做到了收听在引力波上，时空的弹性涟漪，辐射出合并所释放的能量。在早期宇宙中，当外来物体召唤时，可能形成了质量大几千倍的黑洞quasi-stars它们被认为是大量存在的，不是由核反应提供动力，而是由流向中心迅速增长的黑洞种子的高温气体提供动力。质量更大的是超大质量黑洞，其质量高达太阳的数十亿倍，被认为是像我们这样的更大星系中心的引力锚。这些形式如何保持某种形式神秘．

暗物质可能只是一群原始黑洞，聚集在每个星系周围的光环中。

有趣的是，如果有人试图对宇宙黑洞进行普查，人们会预计黑洞的数量会在30到70个太阳质量的范围内急剧减少。我们目前对恒星演化的理解限制了最大恒星的大小，因此也限制了它们死亡(超新星)后可能形成的黑洞的大小。

自激光干涉引力波天文台(LIGO)开始观测以来，它已经准确地在这个质量范围内探测到多个黑洞合并，这让人有些惊讶。在过去的几年里，许多天体物理学家和宇宙学家一直在困惑这些黑洞可能来自哪里。就像在研究中经常发生的那样，当我们在探索更深层次的理解宇宙的道路时，这可能会归结到我们尚未考虑的恒星和星系演化模型中的一些微妙之处。然而，最近又出现了一种更引人注目的可能性:我们可能需要接纳另一名成员加入黑洞的宇宙动物园——原始的20世纪60年代末，苏联天体物理学家伊戈尔•诺维科夫和雅科夫•泽尔多维奇首次承认黑洞是一种理论可能性。他们意识到这些黑洞可能在恒星形成之前就已经大量存在了。这些可能就是LIGO合作观测到的黑洞吗?

这种可能性来源于这样一个事实:黑洞不一定是通过某种天体物理过程形成的。黑洞甚至可以在没有任何物质，从足够大的扭曲时空卷曲成奇点。已故的物理学家史蒂芬·霍金知道这一点，娱乐这是一个惊人而简单的想法，其基础是大爆炸本身是一个爆炸过程的最后阶段，它建立了一个高能量、高密度、热化的初始状态，这种初始状态非常平滑和均匀——但对于最微小的微观时空波动来说。霍金认为，黑洞可能就是由这些种子量子涨落形成的，数十亿年后，这些涨落会继续形成丝状的脚手架，现在所有星系团都围绕着这个脚手架聚合。

如果，以某种方式，某种机制在小尺度(或高频率)上拨动了这种原始噪音的音量，那么在时空连续体中就会有微小但极其深的波谷，这些波谷本身就可能在宇宙历史的早期坍塌成黑洞，可能的质量范围比宇宙后期产生的质量范围更广。当然，这种不可约的量子噪声是海森堡著名理论的结果不确定性原理在早期宇宙中起作用根据这一原理，人们永远不可能同时知道任何粒子的位置和速度。因此，微观粒子永远不可能完全静止，因为要做到这一点，需要同时精确地确定位置和速度。同样的道理也适用于时空本身的局域激发，其结果是，在早期宇宙的所有尺度上都是波动的。这就是在最大尺度下形成宇宙结构的噪音。霍金意识到，任何在更小尺度上放大这种噪音的机制，都可能在大爆炸后不久轻易产生黑洞。

尽管这个想法可能很吸引人，但目前原始黑洞仍停留在理论家的想象领域。当然，这种情况可能会改变，如果在不久的将来，引力波观测站观测到一个黑洞的合并，其质量可能会改变只有是原始的。确凿的证据可能以这种形式出现，例如，发现一个质量小于太阳质量1.5倍的黑洞，即所谓的黑洞钱德拉塞卡极限，以Subrahmanyan命名。这样的黑洞是不可能从一个恒星物体的坍缩中产生的，因为一个恒星黑洞最轻的可能的前身没有足够的质量坍缩成一个低于这个极限的黑洞。虽然比钱德拉塞卡极限稍重最近的观察迄今为止所见的最轻的黑洞(或最重的中子星)是什么，这一问题令人费解，以至于一些天体物理学家乐观地推测它的存在原始的起源．

没有理由认为在我们自己的星系中找不到原始黑洞，更不用说我们的太阳系了。2015年，加州理工学院的一对天文学家建议一颗海王星大小的行星可能在冥王星之外围绕太阳运行，这就解释了柯伊伯带中其他更小的物体的一些特殊轨道。但是，作为2019年纸贴在ArXiv这表明，第九颗行星也可能是一个葡萄柚大小的原始黑洞。有些人甚至认为暗物质本身——我们每一次试图直接探测它的尝试都失败了——可能因为它的存在而难以捉摸没有其他比一群原始黑洞聚集在每个星系周围的光环中。

即使暗物质并不完全是由原始黑洞组成的，它们的存在对天体物理学家和宇宙学家来说也是一个令人兴奋的前景，不仅因为它们对宇宙的演化有影响，还因为它们对宇宙的起源有影响。它们可能在大爆炸的残余辐射中产生了扭曲霍金蒸发．它们可能产生了每个星系中心超大质量黑洞的前身。它们的存在为我们了解宇宙大爆炸的初始条件提供了一扇窗。目前，它们仍然顽固地难以排除，使许多宇宙学家和天体物理学家(包括作者在内)全神贯注于它们的可能性。

苏博德·帕蒂尔是哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的理论物理学家。他偶尔会发推特@_subodhpatil．