约半个世纪之前,霍金首次深入研究了原初黑洞理论。他认为这种黑洞诞生于宇宙之初。在此基础上,一些科学家认为原初黑洞是暗物质候选者,但其存在与否,始终未能得到确认。去年4月,LIGO探测到了一次难以解释的引力波信号。许多天文学家将其归因于“超重”的双中子星的碰撞,然而也有人提出了更为奇特的解释——两个原初黑洞的并合。

撰文 | 诺拉·泰勒·雷德(Nola Taylor Redd)

翻译 | 张二七

审校 | 吴非

自从美国激光干涉引力波天文台(LIGO)在2015年首次直接探测到引力波以来,引力波已经成为天文学界最热门的话题之一。通常情况下,研究人员可以通过这种由黑洞并合产生的时空涟漪来研究该过程的内部机制。不过,LIGO探测到的引力波还可能源于其他天体碰撞事件,比如双中子星并合等等。因此,有时LIGO的探测结果会让天文学家们感到困惑。这样的困惑在去年4月观测到的一次引力波事件中达到峰值。这次编号GW190425的引力波事件的来源引发了极大的争论,直到最近,它才被归因于双中子星并合。但是,这个结论依然无法令所有天文学家信服。

引发争论的要点在于,LIGO的观测数据显示,这对中子星的质量超出预期——其总质量约为太阳的3.4倍,比已知最大的双中子星系统还要重0.5个太阳质量。美国宾夕法尼亚州立大学的天文学家查德·汉纳(Chad Hanna)这样评价道:“这是已知最重的中子星,其质量超乎想象。”

这个异常的质量使一些科学家产生了怀疑,他们认为GW190425可能不是由双中子星的并合产生的,而是来自另一种更加奇特的事件——两个原初黑洞(primordial black hole, PBH)的并合。暗物质是遍布宇宙的某种不可见物质,它可能占据了宇宙总质量的23%。而原初黑洞被视为解释暗物质的候选者之一。一种理论认为,在大爆炸后很短的时间内,宇宙中的密度涨落形成了这种最古老的黑洞,它们一直存在至今,并且能够解释最近LIGO观测中发现的质量异常。

大约半个世纪前,宇宙学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出,原初黑洞可能形成于物质非常致密的宇宙婴儿期。此后,这个理论在天文学家和宇宙学家中引发了广泛的讨论。直至今日 ,由于一直缺少原初黑洞存在的直接证据,许多科学家仅在万不得已的情况下才会考虑这一假设。不过,原初黑洞真实存在,并且在宇宙中广泛分布的可能性依然不能排除。

科学家将原初黑洞视为暗物质重要候选者的原因有很多,但最重要的一点在于,它们无法被直接观测到,同时拥有巨大的引力,这符合我们对暗物质的要求。尽管如此,汉纳仍然表示,如果原初黑洞的数量真的多到足以解释宇宙中所有暗物质,那么过去天文学家对原初黑洞的搜寻就不应该一无所获。因此,他补充道,即使原初黑洞真的存在,它们也只能构成暗物质的一小部分。

也有人持不同的观点。西班牙马德里自治大学的理论宇宙学家胡安·加西亚-贝利多(Juan García-Bellido)认为:“原初黑洞或许仍然足以构成所有的暗物质。”他随后补充道,这种古老的天体可能具有一系列不同的质量,而不是某个固定值。如果原初黑洞的质量分布在一个巨大的范围之中,例如从太阳质量的几千分之一到十亿倍,那么它们就有可能构成宇宙中全部的暗物质,却仍未被我们发现。他表示:“目前发表的那些否认原初黑洞构成暗物质的研究存在一个共同的问题,那就是认为所有原初黑洞的质量都一样,并且在空间中均匀分布。”如果原初黑洞存在如此大的质量差异,那么它们必须紧密地成群分布,这样才能发生碰撞和并合,从而变得更大。

由于理论认为原初黑洞是在大爆炸后很短的一段时间内形成的,因此它们最初应当很容易发生接触。毕竟相比现在这个膨胀了近140亿年的宇宙,早期的宇宙空间应当小很多,因此原初黑洞发生碰撞的可能性也更大。因此,LIGO团队的成员之一,纽约弗拉迪朗研究所的天文学家卡特琳娜·哈奇约安奴(Katerina Chatziioannou)认为,尽管观测到的引力波的确可能源于原初黑洞的并合,但这种事件发生的可能性微乎其微。她同样是即将发表于《天体物理学杂志快报》(Astrophysical Journal Letters)的一篇文章的共同作者,该文中将GW190425观测事件归因为中子星碰撞。

去年4月,在LIGO探测到GW190425号引力波后,全世界的望远镜都开始搜寻与之相关的电磁辐射信号——这也是双中子星碰撞事件的典型标志,然而天空仍然一片漆黑。哈奇约安奴表示:“如果是两个原初黑洞发生了并合的话,的确不会有任何光出现。”尽管如此,她仍然补充道,没有探测到光线也不能排除中子星并合的可能性。大质量中子星的并合过程可能很平静,因为它们相撞后可能迅速产生了黑洞,而没来得及释放光芒。另一种可能是,这一并合事件发生的位置在地面望远镜的探测范围之外,例如在太阳后面的区域。她说:“有很好的理由能够解释,为什么我们没观测到光。”

这项观测结果其实只能作为一种诱人的线索,暗示原初黑洞有可能存在,并且其中两个碰巧在黑暗的宇宙中相遇了。如果未来能够发现一对黑洞,并且它们的质量都比太阳还小的话,这一猜测才能真正得到证明。汉纳说:“如果你发现了一个质量比太阳还小的黑洞,那么至少以现有的天文学理论来说,除了原初黑洞理论之外,我们没有其他可以解释其成因的机制。”对此,加西亚-贝利多也持有相同的看法:“如果能发现质量小于太阳,或高出(太阳)50倍的黑洞,那么我们就有确凿证据了。”

尽管这或许是我们第一次探测到原初黑洞,但汉纳和哈奇约安奴都认为LIGO这次的观测结果更有可能仅来源于超重的中子星。毕竟,目前已经有理论可以解释质量如此大的中子星是如何形成的,并且其形成过程并不需要依赖于某种巧合事件的发生。哈奇约安奴表示:“相比之下,(这一引力波事件源于)原初黑洞的可能性远远小于超出已知质量的中子星的可能性。并不是说它完全不可能,只是可能性很小。”

不过,尽管汉纳等研究者都认为GW190425不太可能源于原初黑洞的并合,加西亚-贝利多仍然对这一理论保持着乐观的态度:“所有LIGO的观测事件都有可能源于原初黑洞。”或许只有时间和更多的观测数据,才能告诉我们答案吧。

原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/did-astronomers-just-discover-black-holes-from-the-big-bang/