原始黑洞的宇宙會(huì)是什么樣子？黑洞相互碰撞后又會(huì)什么景象？

充滿原始黑洞的宇宙會(huì)是什么樣子？2016年，激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）團(tuán)隊(duì)宣布，2015年9月檢測(cè)到的引力波信號(hào)源自距離地球約13億光年處兩個(gè)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(chǎn)生引力波的兩個(gè)黑洞，其質(zhì)量分別約為太陽(yáng)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(xué)獎(jiǎng)外，也帶來了一個(gè)奇怪的小驚喜。形成這些時(shí)空漣漪的黑洞具有非常不一般的質(zhì)量，甚至足以開啟一個(gè)令人著迷的可能性：這兩個(gè)黑洞可能是在宇宙誕生不到一秒鐘的時(shí)候形成的。

黑洞的形成

天文學(xué)家已經(jīng)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(zhì)量越大越好，至少是太陽(yáng)質(zhì)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(xué)尺度中，這點(diǎn)時(shí)間不算什么。

在這顆恒星的生命結(jié)束時(shí)，它會(huì)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(dá)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(nèi)牽拉的引力。因此，在恒星向外爆發(fā)的同時(shí)，它的另一部分不斷向內(nèi)坍縮、折疊，直至湮滅形成一個(gè)黑洞。

恒星質(zhì)量越大，其形成的黑洞就越大，這也是LIGO的探測(cè)結(jié)果如此有趣的原因。兩個(gè)相互碰撞的黑洞的質(zhì)量分別是太陽(yáng)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(zhì)量超過太陽(yáng)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(xué)家想到，也許這些黑洞有另一個(gè)不同的起源。

大爆炸與黑洞

早期的宇宙是瘋狂的，當(dāng)時(shí)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(gè)宇宙，也改寫了自然的法則。

在宇宙誕生時(shí)，如果條件合適，任何一團(tuán)古老的氣體都可能會(huì)自發(fā)地縮小，形成任意大小的黑洞：質(zhì)量從幾千克到太陽(yáng)的數(shù)千倍不等。對(duì)于每個(gè)研究這些原始黑洞問題的理論物理學(xué)家來說，至少存在一種假設(shè)的黑洞產(chǎn)生機(jī)制，能將暴脹理論和宇宙碰撞等一切內(nèi)容囊括在內(nèi)。

因此，在某種意義上，用原始黑洞來解釋LIGO探測(cè)到的宇宙早期結(jié)果并不困難：在這個(gè)理論中，黑洞具有合適的大小范圍和豐富程度，經(jīng)過幾十億年的演變，就一定會(huì)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(shí)間內(nèi)產(chǎn)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(huì)是什么樣的？這是一個(gè)很重要的問題，如果要驗(yàn)證上述假設(shè)，我們就需要回答這一問題。一方面，黑洞可能會(huì)隨機(jī)地撞向其他物體，并通過引力吸引其他物體，這通常會(huì)造成混亂。

千克質(zhì)量的黑洞撞擊地球可能就會(huì)引發(fā)地震。一個(gè)平靜的黑洞可能會(huì)破壞聯(lián)星系統(tǒng)，或者擾亂整個(gè)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(yáng)系第九行星也有可能是一個(gè)比網(wǎng)球還小的黑洞。

另外，在潛在可探測(cè)性方面，黑洞并不是百分之百全黑的：它們可能會(huì)通過量子力學(xué)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(huì)發(fā)光：一個(gè)與太陽(yáng)質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮诙疵磕甓紩?huì)輻射出一個(gè)光子，需要10^60年的時(shí)間才能失去全部質(zhì)量。但較小的黑洞可以在更短的時(shí)間內(nèi)爆發(fā)，并在這個(gè)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?cè)谔炜罩锌吹降囊恍┵ゑR射線爆發(fā)的原因。

不過，盡管天文學(xué)家做了種種努力，仍然無法調(diào)和原始黑洞的存在與我們所看到的宇宙之間的關(guān)系。在理論上，對(duì)于每一種可能的觀測(cè)途徑，原始黑洞造成的混亂如此之嚴(yán)重，應(yīng)該是能夠被我們探測(cè)到的。

換句話說，盡管要解釋LIGO觀測(cè)到的合并黑洞的質(zhì)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(yīng)該可以通過其他方式來進(jìn)行探測(cè)。

兩個(gè)黑洞碰撞的圖像，看起來跟太極頗為相似。