追溯宇宙的史前——黑洞

美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡或許能夠探測到這些微弱的信號。

一個超大質量的黑洞釋放出高能粒子的噴射圖。(圖片來源：美國國家航空航天局/加利福尼亞理工學院/噴氣推進實驗室)

保羅·M·薩特(Paul M. Sutter)是紐約州立大學石溪分校（斯托尼布魯克分校）和熨斗研究所的天體物理學家，《問宇航員》(Ask a Spaceman)和《太空廣播》(Space Radio)節(jié)目的主持人，在太空死亡后》(How to Die in Space)一書的作者。薩特將這篇文章貢獻給了Space.com的專家之聲：觀點與見解。

宇宙中最大的黑洞以驚人的速度形成，當時宇宙還不到10億年。時間最早可上溯到這些黑洞并非理論上的是由大質量恒星的死亡形成，而是起源于大爆炸的第一秒。

為了驗證這種可能性，一組天體物理學家提出了一個超前的觀點：在巨大黑洞周圍的物質組成正好與宇宙平均水平略有不同，同時保留了年輕宇宙的殘留記憶。

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穩(wěn)如磐石

顧名思義，超大質量黑洞(SMBHs)是巨大的，最小的黑洞比太陽的質量大數(shù)百萬倍，而最大的黑洞——位于巨大星系的中心——其質量可達太陽的數(shù)千億倍。在現(xiàn)代宇宙中發(fā)現(xiàn)如此巨大的黑洞并不那么令人驚訝，因為這些黑洞已經(jīng)存在數(shù)十億年，以氣體和塵埃(以及其他黑洞)為食。

但最近，天文學家開始發(fā)現(xiàn)在早期宇宙中的超大質量黑洞。超過200個超大質量黑洞存在于10億年，還有一個超大質量黑洞是在7億年更早時期形成。

這意味著它們形成得很快，太快了。我們了解黑洞在當今時代是如何形成的。當一顆巨型恒星死亡時，它會留下一個質量高達太陽幾十倍的黑洞。這個黑洞以其周圍的物質為食，發(fā)現(xiàn)其他黑洞并與之融合，如果幸運的話，它最終會獲得超大質量的狀態(tài)。

問題是這些過程需要時間。當宇宙還不到10億年的時候，第一批恒星和星系才剛剛開始形成。在很短的時間內產(chǎn)生超大質量黑洞擴展了已知天體物理過程的極限。

一個原始的起源

因此，也許宇宙中的超大質量黑洞并非源于正常的天體物理過程，比如恒星的死亡和氣體的持續(xù)消耗。也許這些巨大的黑洞起源于大爆炸早期的重要時刻。

早期宇宙是一個極端的地方。密度和壓力高到足以將自然的基本力量融合成統(tǒng)一的場。在最初的幾秒鐘里，它的溫度甚至太高，質子和中子在被撕裂之前無法凝固。在那些動蕩的

時代，極端的密度對比可能是自發(fā)出現(xiàn)的。而在存在極端密度反差的地方——大量質量堆積在一個非常小的體積里——黑洞就會形成。

這些就是所謂的原始黑洞，被認為可能是通過大爆炸中的奇異相互作用形成的。天文學家花了幾十年的時間尋找它們，特別是通過宇宙微波背景這樣的探測器，宇宙微波背景是宇宙38萬年前留下的光。所有這些搜索結果都是空的，幾乎排除了所有原始黑洞形成的模型。

這里的關鍵詞是“幾乎”。有一類原始黑洞可能是通過觀測得到的。大爆炸后的第一秒內形成的質量約為太陽質量10萬倍的黑洞。這些黑洞會迅速吞噬周圍的任何物質，吞噬自己，直到它們成為在宇宙早期觀察到的超級黑洞。

但是我們如何區(qū)分天體物理學的黑洞和原生巨型黑洞呢?

宇宙：大爆炸到現(xiàn)在的10個簡單步驟

趣味科普

一個天體物理學家團隊在一篇發(fā)表在預印本服務器arXiv上的論文中提出，答案是要非常非常努力地盯著黑洞。

關鍵在于，原始黑洞并不只是在襁褓中的宇宙里，無關外界，;它們與周圍的環(huán)境的相互作用影響著宇宙周邊。我們之所以能排除掉許多模型，是因為它們會極大地擾亂大爆炸的熱等離子體，使我們的觀測結果發(fā)生偏差。

具有諷刺意味的是，質量為10萬個太陽的原始黑洞會產(chǎn)生微妙得多的影響。它們的數(shù)量尚不足以嚴重破壞早期宇宙的物理結構，所以一直未被發(fā)現(xiàn)。就在它們形成幾分鐘后，一個重要的紀元到來了：核合成時代，第一批輕元素也從大爆炸的高溫中產(chǎn)生。

原始黑洞可能充斥宇宙。它會撞擊地球嗎?

物理學家們非常了解這個時代，因為它遵循著與核反應堆、原子彈一樣的物理規(guī)律。原始黑洞不會完全破壞這一過程，宇宙中氫和氦的數(shù)量基本保持不變，但會影響周圍的環(huán)境。由于黑洞的極端引力，核過程會在黑洞附近發(fā)生變化，輕微地改變元素的混合產(chǎn)生過程。

如果這些黑洞周圍的氣體能夠保持對那個時代的記憶，那么我們在超大質量黑洞周圍觀察到的物質的組成將與宇宙平均水平不同。例如，這篇新論文的作者發(fā)現(xiàn)，原始黑洞可以使氦的含量增加約10%，并使鋰的含量減少約10%。

作者承認，觀察這種自然差異是有挑戰(zhàn)性的，但他們強調，像美國國家航空航天局(NASA)即將發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)這樣的儀器可能勝任這項任務。觀察這種元素圖譜不僅可以揭示超大質量黑洞本身的起源，還可以給天文學家提供一個重要的窗口，讓他們了解大爆炸的最初演變過程。

BY: Paul Sutter

FY:Jane

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