漫画 | 出道最早的黑洞，只比宇宙诞生晚了几秒钟！

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

本文已发表于墨子沙龙

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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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