追溯宇宙的史前——黑洞

美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜或许能够探测到这些微弱的信号。

一个超大质量的黑洞释放出高能粒子的喷射图。(图片来源：美国国家航空航天局/加利福尼亚理工学院/喷气推进实验室)

保罗·M·萨特(Paul M. Sutter)是纽约州立大学石溪分校（斯托尼布鲁克分校）和熨斗研究所的天体物理学家，《问宇航员》(Ask a Spaceman)和《太空广播》(Space Radio)节目的主持人，在太空死亡后》(How to Die in Space)一书的作者。萨特将这篇文章贡献给了Space.com的专家之声：观点与见解。

宇宙中最大的黑洞以惊人的速度形成，当时宇宙还不到10亿年。时间最早可上溯到这些黑洞并非理论上的是由大质量恒星的死亡形成，而是起源于大爆炸的第一秒。

为了验证这种可能性，一组天体物理学家提出了一个超前的观点：在巨大黑洞周围的物质组成正好与宇宙平均水平略有不同，同时保留了年轻宇宙的残留记忆。

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稳如磐石

顾名思义，超大质量黑洞(SMBHs)是巨大的，最小的黑洞比太阳的质量大数百万倍，而最大的黑洞——位于巨大星系的中心——其质量可达太阳的数千亿倍。在现代宇宙中发现如此巨大的黑洞并不那么令人惊讶，因为这些黑洞已经存在数十亿年，以气体和尘埃(以及其他黑洞)为食。

但最近，天文学家开始发现在早期宇宙中的超大质量黑洞。超过200个超大质量黑洞存在于10亿年，还有一个超大质量黑洞是在7亿年更早时期形成。

这意味着它们形成得很快，太快了。我们了解黑洞在当今时代是如何形成的。当一颗巨型恒星死亡时，它会留下一个质量高达太阳几十倍的黑洞。这个黑洞以其周围的物质为食，发现其他黑洞并与之融合，如果幸运的话，它最终会获得超大质量的状态。

问题是这些过程需要时间。当宇宙还不到10亿年的时候，第一批恒星和星系才刚刚开始形成。在很短的时间内产生超大质量黑洞扩展了已知天体物理过程的极限。

一个原始的起源

因此，也许宇宙中的超大质量黑洞并非源于正常的天体物理过程，比如恒星的死亡和气体的持续消耗。也许这些巨大的黑洞起源于大爆炸早期的重要时刻。

早期宇宙是一个极端的地方。密度和压力高到足以将自然的基本力量融合成统一的场。在最初的几秒钟里，它的温度甚至太高，质子和中子在被撕裂之前无法凝固。在那些动荡的

时代，极端的密度对比可能是自发出现的。而在存在极端密度反差的地方——大量质量堆积在一个非常小的体积里——黑洞就会形成。

这些就是所谓的原始黑洞，被认为可能是通过大爆炸中的奇异相互作用形成的。天文学家花了几十年的时间寻找它们，特别是通过宇宙微波背景这样的探测器，宇宙微波背景是宇宙38万年前留下的光。所有这些搜索结果都是空的，几乎排除了所有原始黑洞形成的模型。

这里的关键词是“几乎”。有一类原始黑洞可能是通过观测得到的。大爆炸后的第一秒内形成的质量约为太阳质量10万倍的黑洞。这些黑洞会迅速吞噬周围的任何物质，吞噬自己，直到它们成为在宇宙早期观察到的超级黑洞。

但是我们如何区分天体物理学的黑洞和原生巨型黑洞呢?

宇宙：大爆炸到现在的10个简单步骤

趣味科普

一个天体物理学家团队在一篇发表在预印本服务器arXiv上的论文中提出，答案是要非常非常努力地盯着黑洞。

关键在于，原始黑洞并不只是在襁褓中的宇宙里，无关外界，;它们与周围的环境的相互作用影响着宇宙周边。我们之所以能排除掉许多模型，是因为它们会极大地扰乱大爆炸的热等离子体，使我们的观测结果发生偏差。

具有讽刺意味的是，质量为10万个太阳的原始黑洞会产生微妙得多的影响。它们的数量尚不足以严重破坏早期宇宙的物理结构，所以一直未被发现。就在它们形成几分钟后，一个重要的纪元到来了：核合成时代，第一批轻元素也从大爆炸的高温中产生。

原始黑洞可能充斥宇宙。它会撞击地球吗?

物理学家们非常了解这个时代，因为它遵循着与核反应堆、原子弹一样的物理规律。原始黑洞不会完全破坏这一过程，宇宙中氢和氦的数量基本保持不变，但会影响周围的环境。由于黑洞的极端引力，核过程会在黑洞附近发生变化，轻微地改变元素的混合产生过程。

如果这些黑洞周围的气体能够保持对那个时代的记忆，那么我们在超大质量黑洞周围观察到的物质的组成将与宇宙平均水平不同。例如，这篇新论文的作者发现，原始黑洞可以使氦的含量增加约10%，并使锂的含量减少约10%。

作者承认，观察这种自然差异是有挑战性的，但他们强调，像美国国家航空航天局(NASA)即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)这样的仪器可能胜任这项任务。观察这种元素图谱不仅可以揭示超大质量黑洞本身的起源，还可以给天文学家提供一个重要的窗口，让他们了解大爆炸的最初演变过程。

BY: Paul Sutter

FY:Jane

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