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黑洞是一类存在于宇宙深处的神秘天体。它们自身极其强大的引力可以吞噬和摧毁一切试图靠近它们的物体，甚至包括光，以至于我们难以直接看清它们的模样。通过不懈的努力，在2019年科学家们通过“事件视界”望远镜获得了人类历史上第一张黑洞照片。科学家们认为，根据形成机制的不同，黑洞大致可以分为两类。第一种黑洞源于传统的天文学。大质量恒星在其核心的燃料即将燃烧殆尽时，在自身强大的引力作用下其不可阻挡地发生坍缩，恒星体积不断压缩，密度快速增加，最终形成黑洞。以这种方式形成的黑洞被称为天文学黑洞。这些黑洞可以通过吸积它周围的物质不断变大，而且相互靠近的黑洞可以合并形成更大质量的黑洞。存在于我们银河系中心的超大质量黑洞（约为太阳质量的数百万倍）可能就是黑洞不断合并的产物。除天文学黑洞外，科学家们从理论上预言了第二类更古老的黑洞---原初黑洞。这是一类形成于宇宙创生之初的黑洞，并有可能保留至今，携带了许多关于宇宙诞生的奥秘。因此，它们被称为宇宙的“活化石”。
原初黑洞的前世今生
回顾历史，有关原初黑洞已经有半个多世纪的研究历史。如今，它仍然是一个十分活跃的前沿研究课题。在上世纪60年代，前苏联物理学家雅科夫·泽尔多维奇（Yakov Zel'dovich）和伊格·诺维科夫（Igor Novikov）首先指出在宇宙辐射为主时期有形成黑洞的可能性。在70年代初，英国物理学家霍金（Stephen Hawking）和英国天文学家伯纳德·卡尔（Bernard Carr，当时正在霍金指导下攻读博士学位）研究指出：宇宙创生之初存在的一些物质密度过高的空间区域，可由于引力坍缩形成黑洞。他们的研究开启了原初黑洞形成机制的现代版本。极早期的宇宙温度极高，物质状态也呈现为稠密的等离子体态，原初黑洞就如同是散在一碗滚烫的热粥上的黑芝麻。原初黑洞与恒星塌缩形成的黑洞在物理性质上并无差异。但由于形成机制的不同，原初黑洞比一般黑洞的质量分布范围更广。原初黑洞可以小到普朗克质量（10^-5克），也可以大到数十万倍太阳质量，这些取决于原初黑洞形成时间的早晚。例如，形成于宇宙诞生之后10^-43秒（普朗克时间）的原初黑洞，其质量大约是普朗克质量；而在1秒时形成的原初黑洞则可以达到数十万倍太阳质量。简言之，越晚形成的原初黑洞质量越大。
图1：形成于极早期宇宙的原初黑洞卡通图。来源：蔡一夫组。
那么黑洞质量不同会产生什么不同的物理过程呢？上世纪七十年代，霍金敏锐地观察到黑洞或许并不是之前人们所认识的那么“黑”。由于量子效应，它会自主地向外辐射粒子，这就是著名的霍金辐射。随着黑洞不断向外辐射粒子，黑洞质量逐渐减少，最终蒸发殆尽。因此，小质量的原初黑洞由于霍金辐射已经在漫长的宇宙热膨胀过程中蒸发掉。另外，一些形成时就个头比较大的原初黑洞拥有较大的质量，可能仍然存在于当今宇宙之中。这部分原初黑洞对于我们理解极早期宇宙和各种宇宙学现象会提供许多重要的线索。比如，原初黑洞被视为占据宇宙组分约四分之一的暗物质的理论候选者；对于那些残留至今并通过霍金辐射刚刚蒸发完的原初黑洞，则有可能是短时长伽马射线暴的物理起源。此外，日本宇宙学家佐佐木节（Misao Sasaki）则认为某些特定的原初黑洞并合过程也可以为引力波激光干涉天文台（LIGO）所捕获的若干双黑洞引力波信号提供合理解释。宇宙学相变中的畴壁问题和磁单极问题也有可能通过引力坍缩形成原初黑洞得以解决。值得一提的是，尽管有些脑洞大开，有人撰文指出如果有一个苹果大小的原初黑洞出现在太阳系内，那么它便可扮演所谓的看不见的“第九大行星”的神秘角色。
图2：双黑洞并合引力波事件。来源：LIGO组。
原初黑洞与暴胀宇宙学
一个很自然的问题是：为什么极早期宇宙会存在一些物质过密集的区域？这个问题就涉及到极早期宇宙的动力学演化。
当前最流行的宇宙学观点认为，在诞生之初我们的宇宙在极短时间内经历了一场极速膨胀的阶段，称之为暴胀阶段。在暴胀阶段宇宙膨胀得究竟有多快呢？举个例子，在10^-32秒内一个氢原子直径大小的空间距离会被放大到约一光年的尺度。暴胀宇宙学为解决大爆炸宇宙学的平坦问题、视界问题等一系列理论疑难提供了非常完美的解决方案。从上世纪80年代由美国宇宙学家阿兰·古斯第一次提出暴胀观点开始，暴胀宇宙学飞速发展。宇宙学家发展了众多理论来实现极早期宇宙的暴胀阶段。暴胀宇宙学之所以成为近四十年来宇宙学研究的重心，不仅因为暴胀框架漂亮地解决了大爆炸宇宙学的理论疑难，更因为暴胀宇宙学同时非常自然地解释了宇宙微波背景辐射的物理起源。1989年人类发射了第一枚宇宙微波背景辐射卫星---宇宙背景探测器（COBE）。它的观测数据支持了暴胀宇宙学。之后在1999年发射的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）以及2009年发射的普朗克（Planck）卫星陆续公布的高精度实验数据同样验证了暴胀宇宙学的理论预言。
暴胀宇宙学交汇了量子理论和引力理论，认为宇宙微波背景辐射和大尺度结构形成都是源于真空的量子涨落。量子理论认为真空并不“空”，而是充满随机的量子涨落。这些真空量子涨落在暴胀期间被拉伸出哈勃视界，退相干成为经典的物质扰动。原初黑洞的形成就要求在一些远小于目前宇宙学实验观测的尺度上存在足够大的物质扰动，从而使得这些物质扰动重新回到哈勃视界时产生足够多的引力坍缩。然而，基于标准宇宙学模型建立起来的扰动理论预言在小尺度上产生大扰动的概率非常之小，所以我们就需要一些特别的机制能够有效地在小尺度上产生较大的物质扰动。
原初黑洞的形成---声速共振机制
2018年，中国科大的粒子宇宙学研究团队提出了一种新的原初黑洞产生机制---声速共振机制。他们指出：推动暴胀产生的暴胀子的声速如果存在一段振荡模式，小尺度的物质扰动就会发生参数共振被放大。这可以很形象的从生活中孩子们玩的荡秋千来理解参数共振机制。一个孩子站在秋千上做下蹲动作，当下蹲的频率是秋千振荡的偶数倍时，秋千的振荡幅度随之增大。这种动力学机制可以在当前天文学观测限制允许的范围内十分有效地产生原初黑洞，质量分布范围十分广泛，可以覆盖[10^-17,10^5]倍太阳质量。声速共振机制还可以为当前宇宙学观测中一定比例的暗物质组分提供重要的理论解释。
图3：声速共振机制下的密度扰动放大效应（上）和所带来的原初黑洞质量谱分布（下）。来源：蔡一夫组。
原初黑洞与引力波
原初黑洞涉及到小尺度上的物理过程。关于它的探测就会告诉我们在小尺度上极早期宇宙是什么模样。这是目前宇宙学其他的探测实验没有能力做到的。除了之前提到的原初黑洞并合过程产生引力波，还有另外一类与原初黑洞形成息息相关的引力波在近期成为研究的热点---即诱导引力波。我们知道，原初黑洞形成于极早期宇宙小尺度上较大的原初密度扰动。根据宇宙学扰动理论，这些原初密度扰动可以在非线性层面上诱导引力波产生。
图4：来自不同宇宙学起源的引力波能谱与对应的天文观测手段。来源：蔡一夫组。
这些诱导产生的引力波信号如果顺利存活到今天就会形成一种随机引力波背景，并且这种背景信号有可能在不久的将来被人类所布局的引力波探测实验所捕捉或者是被排除。引力波天文学当前已经进入到了如火如荼的蓬勃发展时期，特别是这些实验项目包括了国际上的引力波激光干涉天文台（LIGO）、激光干涉空间阵列（LISA）、平方公里阵列射电望远镜（SKA），以及国内的太极、天琴、阿里等诸多波段的引力波探测计划。随着引力波天文学理论与实验的发展，通过对引力波信号的观测会向我们透露更多有关原初黑洞的物理信息，进一步加深我们人类对于极早期宇宙的认知。
参考文献
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