Sheldon
漫画 | 出道最早的黑洞,只比宇宙诞生晚了几秒钟! 精选
2018-9-13 21:05
阅读:8079
标签:原初黑洞, 宇宙学, 科学漫画


(这是Sheldon的第92篇漫画,所有图片大约3.3MB。)


我们知道,在宇宙的深处,散布着各种各样的黑洞。这些黑洞有的大,有的小,可以按照体重分成几类。


有一种黑洞,重量通常是太阳的5~15倍



这种黑洞是大型恒星死亡后,直接坍缩成的。自打从“娘胎”里出来,它就没怎么吃过东西,所以从生物学上讲,它是婴儿肥



除此之外,还有一种黑洞,重量能达到太阳的100~10万倍。它肥的原因是……



其实,没管住嘴也曾经是一个婴儿肥。


如果一个婴儿肥黑洞的周围恰好存在很多气体、很多恒星、或者很多其他婴儿肥,它的嘴巴就会失去控制:吃完辣条吃烤鸡,吃完厨师吃服务员,吃完南京路吃外滩,在100多亿年中,从一个小屁孩,吃成一个大胖团。



总而言之,天上的黑洞,一部分是婴儿肥,一部分是没管住嘴。天文学家虽然查不到它们的户口本,但是对它们的来历还是比较有把握的。


可是,2016年2月11日,LIGO实验宣布,他们通过引力波信号,探测到了两个黑洞合并。



天文学家发现,这俩黑洞既不属于婴儿肥,也不属于没管住嘴。因为其中一个黑洞的质量是太阳的36倍,另一个是太阳的29倍,合并成连体黑洞后的质量是太阳的62倍。


于是,天文学家开始好奇它们是从哪儿来的!


你可能会问,


它们为什么不属于婴儿肥呢?



在婴儿肥看来,由于恒星的质量不可能太大,所以,恒星死后形成的黑洞的质量也不可能太大。由此推断,这俩黑洞显然不是恒星形成的。



那么,

为什么它们也不属于没管住嘴?



于是,引力波成功探测,给天文学家出了一个难题:


这俩黑洞到底是咋形成的呢?


那么,是不是完全没有办法解释这两个黑洞的来历呢?倒也不是!


除了婴儿肥和没管住嘴之外,天文学家还有一种理论。这种理论认为,在宇宙大爆炸刚刚发生的时候,也就宇宙刚诞生不到1分钟的时候,许多原始物质就已经坍缩成黑洞了。


这种黑洞叫原初黑洞,意思是出道早




但是,原初黑洞的理论有两个致命的bug!第一,也就是最致命的一点,原初黑洞的产生概率很低。



第二,根据计算,这种原初黑洞质量的分布范围非常大。最小的黑洞比人的卵细胞还要轻,最大的比太阳还要重几千倍。



你看看,原初黑洞产生的概率很低,质量又可大可小,你要说刚好产生了两个质量是太阳30倍的黑洞,而且还睡一张床,打死天文学家也不信。


于是,原初黑洞仍然是一个令天文学家头疼的问题。



2018年,中国科学技术大学的蔡一夫团队,在《物理评论快报》上发表了一篇论文,提出了一种能够批量形成原初黑洞的新机制!



他们假设,在早期宇宙中,物质相互挤压时产生的“声波”的速度很不稳定,会发生周期性的振荡。在“声速”振荡的作用下,物质本身的振荡就会发生共振,从而相互叠加,产生大量原初黑洞。这就可以大大提高原初黑洞产生的概率。于是,这个假设就解决了原初黑洞理论的第一个bug!


用蔡一夫教授的话来说,早期宇宙的原始物质就像一锅热粥,原初黑洞就像热粥里撒上了一把黑芝麻。



并且,由于物质的振荡会和声速的振荡发生共振,原初黑洞的质量不会忽大忽小,而是集中在几个狭窄的范围中。这就解决了原初黑洞理论的第二个bug!



于是,蔡一夫团队的研究,用一个代价很小的假设,解决了原初黑洞产生比率和质量范围的问题。他们的假设如果得到证实,就可能帮助产生引力波的那两个黑洞,搞清楚自己的身世!



作者:Sheldon

绘制:赏鉴

美指、对白:牛猫

排版:胡豆

鸣谢:蔡一夫


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注:

1. 最新的天文学观测数据,对典型的原初黑洞质量范围做出了限制。最小的原初黑洞大约是200亿吨,最大的原初黑洞大约是太阳质量的100万倍。


2. 在宇宙中,所有已知物质的重量加起来,也只有暗物质的五分之一。可以说,暗物质是宇宙的大股东!一些天文学家认为,这些暗物质可能不是未知的物质,而是一大群原初黑洞!


3. 在天文学中,婴儿肥的分类叫恒星级黑洞。没管住嘴的分类叫中等质量黑洞。漫画对中等质量黑洞的起源做了大幅简化。实际上,中等质量黑洞起源也是开放课题,有人认为它是恒星级黑洞在物质丰富的、且有加速吸积的(例如磁场)特殊星际环境中产生的,也有认为它源自侏儒级的星系整体坍塌,说法不一。


4. 除此之外,在很多星系的中心,还存在一种超大质量黑洞。这种黑洞动不动就是太阳质量的一百万倍、甚至几十亿倍!例如,银河系中心就有一个400万倍太阳质量的超大型黑洞。这种黑洞是怎么来的?这对原初黑洞的理论也是一个考验。


5. 太阳的直径是140万公里,如果太阳的全部质量形成了黑洞,直径就会缩减成6公里。所以,漫画中的大部分黑洞都画得比太阳还要小。


参考文献:

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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