漫畫 | 出道最早的黑洞，只比宇宙誕生晚了幾秒鐘！

來自專欄 Sheldon173 人贊了文章

（這是Sheldon的第92篇漫畫，所有圖片大約3.3MB。）

我們知道，在宇宙的深處，散布著各種各樣的黑洞。這些黑洞有的大，有的小，可以按照體重分成幾類。

有一種黑洞，重量通常是太陽的5~15倍。

這種黑洞是大型恆星死亡後，直接坍縮成的。自打從「娘胎」里出來，它就沒怎麼吃過東西，所以從生物學上講，它是嬰兒肥。

除此之外，還有一種黑洞，重量能達到太陽的100～10萬倍。它肥的原因是……

其實，沒管住嘴也曾經是一個嬰兒肥。

如果一個嬰兒肥黑洞的周圍恰好存在很多氣體、很多恆星、或者很多其他嬰兒肥，它的嘴巴就會失去控制：吃完辣條吃烤雞，吃完廚師吃服務員，吃完南京路吃外灘，在100多億年中，從一個小屁孩，吃成一個大胖團。

總而言之，天上的黑洞，一部分是嬰兒肥，一部分是沒管住嘴。天文學家雖然查不到它們的戶口本，但是對它們的來歷還是比較有把握的。

可是，2016年2月11日，LIGO實驗宣布，他們通過引力波信號，探測到了兩個黑洞合併。

天文學家發現，這倆黑洞既不屬於嬰兒肥，也不屬於沒管住嘴。因為其中一個黑洞的質量是太陽的36倍，另一個是太陽的29倍，合併成連體黑洞後的質量是太陽的62倍。

於是，天文學家開始好奇它們是從哪兒來的！

你可能會問，

它們為什麼不屬於嬰兒肥呢？

在嬰兒肥看來，由於恆星的質量不可能太大，所以，恆星死後形成的黑洞的質量也不可能太大。由此推斷，這倆黑洞顯然不是恆星形成的。

那麼，

為什麼它們也不屬於沒管住嘴？

於是，引力波成功探測，給天文學家出了一個難題：

這倆黑洞到底是咋形成的呢？

那麼，是不是完全沒有辦法解釋這兩個黑洞的來歷呢？倒也不是！

除了嬰兒肥和沒管住嘴之外，天文學家還有一種理論。這種理論認為，在宇宙大爆炸剛剛發生的時候，也就宇宙剛誕生不到1分鐘的時候，許多原始物質就已經坍縮成黑洞了。

這種黑洞叫原初黑洞，意思是出道早。

但是，原初黑洞的理論有兩個致命的bug！第一，也就是最致命的一點，原初黑洞的產生概率很低。

第二，根據計算，這種原初黑洞質量的分布範圍非常大。最小的黑洞比人的卵細胞還要輕，最大的比太陽還要重幾千倍。

你看看，原初黑洞產生的概率很低，質量又可大可小，你要說剛好產生了兩個質量是太陽30倍的黑洞，而且還睡一張床，打死天文學家也不信。

於是，原初黑洞仍然是一個令天文學家頭疼的問題。

2018年，中國科學技術大學的蔡一夫團隊，在《物理評論快報》上發表了一篇論文，提出了一種能夠批量形成原初黑洞的新機制！

他們假設，在早期宇宙中，物質相互擠壓時產生的「聲波」的速度很不穩定，會發生周期性的振蕩。在「聲速」振蕩的作用下，物質本身的振蕩就會發生共振，從而相互疊加，產生大量原初黑洞。這就可以大大提高原初黑洞產生的概率。於是，這個假設就解決了原初黑洞理論的第一個bug！

用蔡一夫教授的話來說，早期宇宙的原始物質就像一鍋熱粥，原初黑洞就像熱粥里撒上了一把黑芝麻。

並且，由於物質的振蕩會和聲速的振蕩發生共振，原初黑洞的質量不會忽大忽小，而是集中在幾個狹窄的範圍中。這就解決了原初黑洞理論的第二個bug！

於是，蔡一夫團隊的研究，用一個代價很小的假設，解決了原初黑洞產生比率和質量範圍的問題。他們的假設如果得到證實，就可能幫助產生引力波的那兩個黑洞，搞清楚自己的身世！

作者：Sheldon | 繪製：賞鑒 | 美指、對白：牛貓 | 排版：胡豆 | 鳴謝：蔡一夫

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註：

1. 最新的天文學觀測數據，對典型的原初黑洞質量範圍做出了限制。最小的原初黑洞大約是200億噸，最大的原初黑洞大約是太陽質量的100萬倍。

2. 在宇宙中，所有已知物質的重量加起來，也只有暗物質的五分之一。可以說，暗物質是宇宙的大股東！一些天文學家認為，這些暗物質可能不是未知的物質，而是一大群原初黑洞！

3. 在天文學中，嬰兒肥的分類叫恆星級黑洞。沒管住嘴的分類叫中等質量黑洞。漫畫對中等質量黑洞的起源做了大幅簡化。實際上，中等質量黑洞起源也是開放課題，有人認為它是恆星級黑洞在物質豐富的、且有加速吸積的（例如磁場）特殊星際環境中產生的，也有認為它源自侏儒級的星系整體坍塌，說法不一。

4. 除此之外，在很多星系的中心，還存在一種超大質量黑洞。這種黑洞動不動就是太陽質量的一百萬倍、甚至幾十億倍！例如，銀河系中心就有一個400萬倍太陽質量的超大型黑洞。這種黑洞是怎麼來的？這對原初黑洞的理論也是一個考驗。

5. 太陽的直徑是140萬公里，如果太陽的全部質量形成了黑洞，直徑就會縮減成6公里。所以，漫畫中的大部分黑洞都畫得比太陽還要小。

參考文獻：

Yi-Fu Cai, and et. al., Primordial Black Holes from Sound Speed Resonance during Inflation, Phys. Rev. Lett.,121, 081306 (2018).

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