神秘的原初黑洞：诞生于宇宙之初的它们，究竟是如何形成的？

黑洞可以说是宇宙中最神秘的一种天体了，尤其是对于它内部是什么样，直到今天仍然是众说纷纭。

【资料图】

但是对于黑洞的形成，这个现在科学界倒是早已达成了共识。

不过还有一种黑洞，目前我们对他它仍然知之甚少，它是怎么形成的，具体何时形成的，甚至连它是否真的存在，这些都不确定。

它就是今天我们要介绍的原初黑洞。

从小质量的恒星级黑洞，到上百倍太阳质量的中等质量黑洞，再到星系中心，可以达到百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这些都是或多或少已经被我们观测到的“常见”黑洞。

它们有的是恒星坍缩直接形成的，有的是通过吸积盘进食慢慢一点点吃大的，有的则干脆是通过“大鱼吃小鱼”这种方式直接吞并形成的。

按照传统观点，无论是哪种方式，它们最初的前身都来自于一颗颗的恒星。

但是对于某些现象，这种观点却无法予以解释。

比如说对于巨大的椭圆形系中心的超大质量黑洞来说，即使是通过最高效的合并的方式，它成长得还是太快了。理论上，今天的宇宙中不应该存在如此巨大的黑洞，更别说那些诞生于宇宙早期的类星体了。

所以天体物理学家们认为，宇宙中一定还有什么机制可以使这些超大质量黑洞得以快速形成。

关于这个话题之前还专门做过一期感兴趣的可以看下。

在众多猜想中，有一种理论认为，这些超大质量黑洞当初或许根本不是由普通物质构成的，而是直接由暗物质聚集而成。这些暗物质黑洞就像一粒“种子”，通过引力逐渐吸引周围的普通物质向它聚集，直至形成百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这些暗物质构成的“种子黑洞”就被认为是一种原初黑洞。

目前认为宇宙年龄大约137亿岁。第一批恒星最早出现在宇宙大约1亿岁的时候，而对于原初黑洞来说，它们诞生得或许比这还要早得多得多，甚至于形成在大爆炸之初的暴胀时期，这种不经历恒星坍缩直接诞生于宇宙形成之初的黑洞，我们统称其为原初黑洞。

其实原初黑洞这个概念，最早霍金他们在上世纪七十年代就想到过，虽然当时暴胀理论还没提出。目前关于原初黑洞的主流理论，认为它的本质是被暴胀放大的能量密度涨落。

之前我们说过，根据热大爆炸模型，在大爆炸的第一秒内，宇宙此时有着极高的温度和压强，这时候如果空间密度出现些许扰动，这些局部区域的波动就会被暴胀过程迅速放大。当暴胀结束后，一些密度涨落较大的区域，就会因为质量足够大，导致这部分区域直接坍缩成了一个黑洞。

其实对于原初黑洞的形成，除了这种基于暴胀的主流理论外，还有很多其他理论。

比如2022年1月份《物理学快报B》上发表的一篇论文，研究人员描述了一种由宇宙辐射时期的真空衰变导致的原初黑洞，之前在量子系列我们说过，真空并非真的空无一物，虽然它是势能最低的一种量子场，但是微观层面它一直存在着量子涨落。

除此之外，从量子场论的角度来看，这里还存在着另外一种只有大小没有方向的“标量场”。对于处于最低势能的真空来说，它可以是标量场的零点，这是两种截然不同的真空形态。

首先，对于势能最低值等于标量场零点的真空来说，你可以把它想象成一种“气态”的真空，而对于势能最低值不等于标量场零点的真空来说，它则像是一种“液态”的真空。

当然，这里“气态”和“液态”都是打了引号的，仅仅是种比喻。“气态”真空的特点是粒子在它中间穿行畅通无阻，而“液态”真空的特点是粒子穿行的时候会受到一股阻力，就和人在水中行走时的感觉一样，这种“受阻滞”效应带来的后果就是一些基本粒子因此获得了质量。

没错，这正是希格斯机制的主要作用，希格斯场就是这样的一种标量场。

前面说的“真空衰变”说的就是通过温度变化，空间从一种真空态转变为另一种真空态的这个过程，属于物理学上的“一级相变”。

对于宇宙空间来说，从当初大爆炸时极热的“气态”真空逐渐冷却成“液态”真空，这就是宇宙学上的一级相变。

另外，真空的这种相变对于整个宇宙来说，并不是瞬间完成的，它也需要一个过程，就像沸腾的水中出现的气泡，新的真空可能也像泡泡一样，出现在宇宙空间的各个角落。这些真空泡由于压强差会迅速向外膨胀，在这些泡泡不断变大的过程中，不同泡泡之间会发生碰撞而合并。最终，整个宇宙将被这些泡泡填满。

至此，宇宙空间完成了一次彻底的相变。

那上面说的这些和原初黑洞又有什么关系呢？

原初黑洞或许就诞生于这些碰撞的泡泡之间。随着泡泡的扩张，原本位于旧真空中的基本粒子会穿过泡泡壁，进入新真空的泡泡中。

但是对于某些能量较低的粒子来说，它可能就没有那么“幸运”了，它们会因为能量不够，无法穿透泡泡壁进入新真空，因此一直处于旧真空中。

随着泡泡的膨胀，慢慢地整个宇宙剩下的旧真空越来越少，那些无法进入泡泡的粒子，全都被困在了狭小的夹缝之中。对于这些“夹缝内生存”的基本粒子来说，当压强大到足以和真空产生的压强抗衡时，这些基本粒子以及所在的旧真空，就会形成非常致密的小球，他们被称为“费米球”。

费米求它是一种由费米子聚集而成的微米级球体，密度比中子星还要大得多。在这么小的尺度上，一种被称为“汤川相互作用”的力会使费米球向内坍缩成黑洞。

这些由费米球形成的黑洞就是一种原初黑洞，因为此时距离第一颗恒星的诞生至少还有上亿年。

无论是宇宙相变产生的，还是暴胀导致的，又或者是暗物质直接构成的，原初黑洞的理论目前还都仅仅只是初步猜测，对于它是否存在，现在还没有任何实际证据。

不过原初黑洞一直是宇宙学领域的热门话题之一，现在有越来越多的理论被提出，加上对撞机、引力波探测器以及韦伯望远镜。希望未来在实验方面，我们也能有新的发现。

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