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充滿原始黑洞的宇宙會是什么樣子？2016年，激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）團隊宣布，2015年9月檢測到的引力波信號源自距離地球約13億光年處兩個黑洞的碰撞。這是人類首次發(fā)現(xiàn)引力波，讓全世界的研究者既驚訝又興奮。碰撞產生引力波的兩個黑洞，其質量分別約為太陽的36倍和29倍。 這一發(fā)現(xiàn)具有重大的意義，除了發(fā)現(xiàn)者榮獲2017年諾貝爾物理學獎外，也帶來了一個奇怪的小驚喜。形成這些時空漣漪的黑洞具有非常不一般的質量，甚至足以開啟一個令人著迷的可能性：這兩個黑洞可能是在宇宙誕生不到一秒鐘的時候形成的。 黑洞的形成 天文學家已經知道黑洞在現(xiàn)代宇宙中是如何形成的。首先要有一顆恒星，質量越大越好，至少是太陽質量的8倍。接著，等這顆恒星燃燒掉它所有可用的氫，通常這需要幾千萬年，但在宇宙學尺度中，這點時間不算什么。 在這顆恒星的生命結束時，它會在巨大的能量中毀滅自己，這就是超新星爆發(fā)。在超新星爆發(fā)的火焰中，核心的密度可以達到一種足夠密集的狀態(tài)，以至于沒有任何東西可以抵抗其向內牽拉的引力。因此，在恒星向外爆發(fā)的同時，它的另一部分不斷向內坍縮、折疊，直至湮滅形成一個黑洞。 恒星質量越大，其形成的黑洞就越大，這也是LIGO的探測結果如此有趣的原因。兩個相互碰撞的黑洞的質量分別是太陽的36倍和29倍。要制造出這么大的黑洞，要么是從一顆大得可怕的恒星開始，其質量超過太陽100倍；要么需要有大量較小的黑洞，由它們合并形成大的黑洞。 目前，這兩種情況似乎都不太可能出現(xiàn)。如此巨大的恒星在宇宙中根本不存在（至少現(xiàn)在看來是這樣），而已知的黑洞合并也沒有常見到足以形成這樣的恒星。于是，天文學家想到，也許這些黑洞有另一個不同的起源。 大爆炸與黑洞 早期的宇宙是瘋狂的，當時的溫度和壓力是后來再也沒有出現(xiàn)過的，其中的相變過程震撼了整個宇宙，也改寫了自然的法則。 在宇宙誕生時，如果條件合適，任何一團古老的氣體都可能會自發(fā)地縮小，形成任意大小的黑洞：質量從幾千克到太陽的數(shù)千倍不等。對于每個研究這些原始黑洞問題的理論物理學家來說，至少存在一種假設的黑洞產生機制，能將暴脹理論和宇宙碰撞等一切內容囊括在內。 因此，在某種意義上，用原始黑洞來解釋LIGO探測到的宇宙早期結果并不困難：在這個理論中，黑洞具有合適的大小范圍和豐富程度，經過幾十億年的演變，就一定會發(fā)生合并事件。但是，如果想讓宇宙充滿在大爆炸后極短時間內產生的黑洞，僅僅依靠碰撞、合并是不夠的。 在黑暗中尋找 充滿原始黑洞的宇宙會是什么樣的？這是一個很重要的問題，如果要驗證上述假設，我們就需要回答這一問題。一方面，黑洞可能會隨機地撞向其他物體，并通過引力吸引其他物體，這通常會造成混亂。 千克質量的黑洞撞擊地球可能就會引發(fā)地震。一個平靜的黑洞可能會破壞聯(lián)星系統(tǒng)，或者擾亂整個矮星系。黑洞撞擊中子星可能引發(fā)可怕的爆炸。即使是假想的太陽系第九行星也有可能是一個比網球還小的黑洞。 另外，在潛在可探測性方面，黑洞并不是百分之百全黑的：它們可能會通過量子力學過程發(fā)出微弱的光，這一過程被稱為“霍金輻射”。大型黑洞幾乎不會發(fā)光：一個與太陽質量相當?shù)暮诙疵磕甓紩椛涑鲆粋€光子，需要10^60年的時間才能失去全部質量。但較小的黑洞可以在更短的時間內爆發(fā)，并在這個過程中釋放出巨大的能量。 爆發(fā)的黑洞可能破壞了早期宇宙，改變了元素的豐度或宇宙微波背景的外觀。這些黑洞還可能是我們在天空中看到的一些伽馬射線爆發(fā)的原因。 不過，盡管天文學家做了種種努力，仍然無法調和原始黑洞的存在與我們所看到的宇宙之間的關系。在理論上，對于每一種可能的觀測途徑，原始黑洞造成的混亂如此之嚴重，應該是能夠被我們探測到的。 換句話說，盡管要解釋LIGO觀測到的合并黑洞的質量十分困難，但如果這些黑洞所處的宇宙是原始的，那我們應該可以通過其他方式來進行探測。
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