黑洞製造指南:宇宙大爆炸有沒有留下原初黑洞
北京時間 8 月 11 日訊息,2016 年,LIGO(鐳射干涉引力波天文臺)團隊宣佈首次發現來自數十億年前兩個黑洞碰撞釋放出的引力波,讓全世界既驚訝又欣喜。
這一發現除了帶來一陣欣喜(和一些諾貝爾獎)之外,還有一個奇怪的小驚喜。這兩個碰撞的黑洞的質量十分古怪,古怪的程度足以開啟一個令人著迷的可能性:被 LIGO 聽到碰撞的這兩個黑洞,可能形成於宇宙誕生不到一秒的時間之內。
黑洞製造指南
我們已經知道現代宇宙中的黑洞是如何形成的。從一顆恆星開始,這顆恆星越變越大,至少八倍太陽質量的恆星才能變成黑洞。接著,你等待恆星耗盡其所有可用的氫,這個過程也就需要那麼幾千萬年的時間而已,沒什麼大不了的。
等到生命的盡頭,這顆恆星會在能量災難 —— 超新星爆發 —— 中走向自我毀滅。在爆炸的火焰中,核心密度可以達到足夠強烈的狀態,以至於任何東西都無法抵抗那向內的引力。因此,在恆星的大部分物質向外爆發的同時,一小部分的恆星會向內坍縮,最終走向湮滅,變成一個黑洞。
恆星越大,形成的黑洞也越大,這就是使得 LIGO 的觀測結果尤其有趣。這兩個碰撞的黑洞的質量分別是 30 倍太陽質量和 35 倍太陽質量。要得到如此巨大的黑洞,你要麼有一顆真正巨大的恆星 —— 其質量超過 100 倍太陽質量,要麼你需要許多更小的黑洞合併才能得到如此大的黑洞。
不過,在宇宙剛剛誕生那會,這兩種情況似乎都不太可能發生。宇宙中壓根不存在這麼大的恆星(至少,目前是這樣的),而且黑洞合併也不常見。
因此:這些黑洞可能有著不同的起源。
黑暗中的探索
充滿原初黑洞的宇宙會是什麼樣子?這是一個成本昂貴的問題,但我們如果想要檢驗原初黑洞的理論的話,就先得回答這個問題。
一方面,黑洞可能會隨機地與其他物體碰撞,通過引力吸引其他物體,並造成混亂。質量為千克量級的黑洞,如果撞擊地球的話,也足以引發地震。一個沉默的黑洞可能會拉開雙星系統中的兩顆恆星,或破壞整個矮星系,一個撞擊了中子星的黑洞可能會引發可怕的爆炸,甚至假設中的第九行星也可能是一個大小不及網球的黑洞。
在潛在的可探測性方面,有一個好處是,黑洞並非完全是 100% 的黑。它們也可能會通過所謂的“霍金輻射”的量子力學過程發出微弱的光。大的黑洞幾乎不發光。和太陽同等質量的黑洞每年輻射出一個光子,大概需要 10^60 年才會失去所有質量。不過,較小質量的黑洞消失的時間也會更短,並在這個過程中釋放出能量。
爆炸的黑洞可能會擾亂早期宇宙,改變元素的丰度或宇宙微波背景的外觀,或者,它們也可能是我們在天空中看到一些伽馬射線爆發的原因。
可惜儘管我們付出了種種努力,我們仍無法在我們如今看到宇宙中解釋原初黑洞的存在。對於每一個可能的觀測途徑,原初黑洞都會造成非常多的混亂,我們不可能避開這些混亂。
換句話說,儘管我們仍然很難解釋 LIGO 目睹到的兩個合併黑洞的質量,但如果你希望宇宙中存在這些原初黑洞,那麼我們理應有其他的辦法去檢測到它們。