黑洞大概是宇宙中最神秘的事物之一。它如同一個(ge) 貪婪的胖子，體(ti) 重巨大，吞噬任何從(cong) 它附近經過的東(dong) 西，包括光線。科學家認為(wei) ，恒星級質量的黑洞可能形成於(yu) 大質量恒星在生命終點的爆發。而小質量黑洞的碰撞並合，以及更小質量黑洞吞噬氣體(ti) 塵埃，會(hui) 形成超大質量黑洞。

但你有沒有想過，當宇宙最初還是一片虛空時，最早的那些黑洞從(cong) 何而來？這是科學家們(men) 思索了半個(ge) 多世紀的問題。他們(men) 一直困惑於(yu) ，無法在宇宙初期形成數量足夠多的原初黑洞。

近日國際權威期刊《物理評論快報》上刊發的一篇文章重新審視了原初黑洞的物理起源。該文指出，原初黑洞可能與(yu) 宇宙暴脹時期的聲速擾動息息相關(guan) 。那麽(me) ，原初黑洞到底從(cong) 何而來？聲速擾動又能如何幫助它加快形成？

早期宇宙養(yang) 育的“大胖子”

原初黑洞是什麽(me) 呢？簡而言之，就是宇宙在早期由於(yu) 局域空間的物質分布過於(yu) 密集，導致物質直接坍塌所形成的黑洞。它們(men) 的形成機製有別於(yu) 通常情況下恒星坍縮形成的黑洞。可以想像的是，彼時的宇宙與(yu) 當前它幾乎空蕩蕩的狀態是截然不同的。極早期宇宙的溫度極高，物質分布也呈現出極為(wei) 稠密的等離子體(ti) 態。原初黑洞就是在這個(ge) 時期形成的。打個(ge) 通俗的比喻，這就像在一鍋濃稠滾燙的熱粥裏撒上了一把黑芝麻。

由於(yu) 原初黑洞產(chan) 生於(yu) 宇宙原初時期，經過漫長的熱膨脹曆史演化，它們(men) 中的許多可能已經通過霍金蒸發轉變為(wei) 輻射並消失殆盡。不過，那些仍然殘留的原初黑洞為(wei) 我們(men) 認知宇宙提供了諸多重要的啟示。例如，原初黑洞被公認為(wei) 是占據了宇宙組分約四分之一的暗物質的有效候選者。此外，恰好處於(yu) 現在的宇宙中，而且正在發生霍金蒸發的原初黑洞，可以為(wei) 伽馬射線暴提供合理的物理解釋。

近期有一種新的學術觀點認為(wei) ，自2015年以來引力波激光幹涉天文台（LIGO）所捕獲的若幹黑洞引力波信號，可能來自原初雙黑洞並合過程。正因為(wei) 原初黑洞可以為(wei) 宇宙學和天文學實驗觀測提供豐(feng) 富的科學目標，天文學家們(men) 一直都在為(wei) 捕獲這些“看不見”的天外來客做著不懈努力。

無中生有的物質起伏

早在1960年代，蘇聯物理學家雅科夫·澤爾多維奇和英國物理學家斯蒂芬·霍金分別指出了在極早期宇宙中形成原初黑洞的理論可能性。這在後來的宇宙學研究中被廣泛探討。霍金指出，宇宙剛剛經曆大爆炸創生階段之後，局部密集區域的物質可能由於(yu) 自身引力作用發生坍縮，從(cong) 而形成原初黑洞，並在宇宙後續的漫長演化中不斷影響著宇宙的結構。

然而，這些局部密集的物質密度分布從(cong) 何而來呢？為(wei) 了回答這一問題，人們(men) 將目光投向了宇宙學的另一個(ge) 重要話題。那就是，宇宙在極早期經曆了怎樣的物理起源和動力學演化？

當前最主流的宇宙起源假說是美國宇宙學家阿蘭(lan) ·古斯在上世紀80年代提出的暴脹學說。他認為(wei) 宇宙誕生後迅速進入了一段接近於(yu) 指數形式的加速膨脹階段。這讓宇宙的空間尺度在大爆炸發生之後約10-32秒內(nei) 發生了約1026倍的拉伸。形象地說，這意味著在非常短的時間內(nei) ，一個(ge) 氫原子直徑大小的空間距離被放大為(wei) 約一光年的尺度。

量子理論認為(wei) ，真空並不空，而是存在隨機的非常小的漲落。它們(men) 很快發生又消失，而且漲落幅度非常小，因此在一段時間內(nei) 看來，它們(men) 並沒有意義(yi) 。這被稱作真空量子漲落。在暴脹期間，宇宙中原本極為(wei) 微小的真空量子漲落同樣會(hui) 被拉伸開，並會(hui) 在其波長超過某個(ge) 由宇宙膨脹速度決(jue) 定的尺度時，成為(wei) 真實的物質密度起伏。宇宙膨脹速度越快，這個(ge) 尺度越小。

由此理論機製所發展起來的宇宙學擾動理論預言了一個(ge) 巧奪天工的宇宙微波背景輻射圖景。1989年人類發射了第一枚宇宙微波背景輻射衛星——宇宙背景探測器（COBE），它公布的觀測數據支持了這一理論。之後威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）以及普朗克（Planck）衛星的高精度實驗數據都驗證了這一點。

密度擾動加速黑洞形成

然而，在基於(yu) 標準宇宙學模型所建立起來的擾動理論中，原初黑洞的產(chan) 生率是極為(wei) 低下的，通常不足以帶來令人期待的觀測效應。另外，暴脹會(hui) 稀釋掉在這期間所產(chan) 生的任何過大擾動，想要形成原初黑洞就必須讓一些大的擾動存活下來。這為(wei) 在宇宙學和天文學上探尋原初黑洞籠罩上了重重陰影。

為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，提高原初黑洞的產(chan) 生率，中國科大的研究團隊提出了一種嶄新的原初黑洞產(chan) 生機製。他們(men) 指出， 如果原初宇宙中存在以聲速傳(chuan) 播的物質密度擾動，且形成周期性振蕩，那麽(me) 原初密度將發生周期性疊加，增加原初黑洞的產(chan) 生幾率。這就好比，當一個(ge) 小孩站在秋千上做下蹲運動，若下蹲運動頻率為(wei) 秋千擺蕩頻率的偶數倍時，秋千擺動會(hui) 隨之增大。

這種動力學機製可以在當前天文學觀測限製允許的範圍內(nei) 十分有效地產(chan) 生原初黑洞，其質量分布非常寬泛。目前通過引力波等手段已經探測到了不同質量的黑洞。但它們(men) 的質量分布並不連續。這是因為(wei) 受到探測手段的限製，還是因為(wei) 它們(men) 的質量分布本就如此？最新研究給出的答案是後者，而且黑洞不連續的質量分布還會(hui) 展現出某種規律。這有待更多觀測的驗證。

研究分析還表明，這種原初黑洞形成機製還可以為(wei) 當前宇宙學觀測中一定比例的暗物質組分提供重要的理論解釋。隨著天文學發展走進了多信使時代，原初黑洞的可檢驗性也變得愈發可靠。

關(guan) 於(yu) 宇宙如何在極早的原初時期孕育出原初黑洞，還有很多未解的謎團。當前研究為(wei) 我們(men) 了解這類神秘的奇異黑洞提供了一個(ge) 新的思路。而隨著天文學觀測技術和實驗設備的迅速發展，相信在不久的將來，我們(men) 有機會(hui) 一窺原初黑洞這類宇宙極早期天體(ti) 的奧秘。例如，中國計劃建設的12米光學望遠鏡以及即將發射的詹姆斯·韋伯望遠鏡等先進設備，將能深入探索宇宙極早期的狀態，有望在原初黑洞的搜尋方麵取得突破。而當前備受關(guan) 注的引力波天文學將會(hui) 為(wei) 分辨黑洞引力波源提供更為(wei) 詳盡的信息，對這些引力波信號是否來自原初黑洞予以辨認。（作者係中國科學技術大學天文係教授）