最神秘的引力波信号，可能证实霍金半世纪前的理论？

大约半个世纪前，霍金首次对原始黑洞理论进行了深入研究。他认为这种黑洞诞生于宇宙的开端。在此基础上，一些科学家认为原始黑洞是暗物质的候选者，但它的存在从未得到证实。去年4月，LIGO探测到一个无法解释的引力波信号。许多天文学家将其归因于“超重”的双中子星的碰撞，但其他人也提出了一个更奇特的解释——两个原始黑洞的合并。

作者|诺拉·泰勒·雷德

翻译|张二七

审校|吴菲

自从2015年LIGO首次直接探测到引力波以来，引力波已经成为天文学中最热门的话题之一。通常，研究人员可以通过黑洞合并产生的时空涟漪来研究这一过程的内在机制。然而，LIGO探测到的引力波也可能来自其他天体的碰撞事件，如两颗中子星的合并等。因此，有时LIGO的探测结果会让天文学家困惑。这种混乱在去年四月观察到的引力波事件中达到顶峰。引力波事件的起源引起了很大的争议。直到最近才被认为是两颗中子星的合并。然而，这个结论仍然不能说服所有的天文学家。

争论的要点是，LIGO的观测数据显示中子星的质量高于预期——它们的总质量大约是太阳的3.4倍，太阳比已知最大的双中子星系统重0.5倍。“这是已知最重的中子星，其质量超出想象，”美国宾夕法尼亚州立大学的天文学家查德·汉纳说。

这一异常质量引起了一些科学家的怀疑，他们认为这可能不是由两颗中子星的合并产生的，而是由另一个更奇怪的事件——两个原始黑洞PBH的合并产生的。暗物质是整个宇宙中一种看不见的物质，可能占宇宙总质量的23%。原始黑洞被认为是解释暗物质的候选者之一。一种理论认为，在大爆炸后的短时间内，宇宙中的密度波动形成了最古老的黑洞，这些黑洞一直存在到现在，可以解释最近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·霍金提出，最初的黑洞可能是在一个物质非常稠密的宇宙的婴儿期形成的。从那以后，这个理论引发了天文学家和宇宙学家的广泛讨论。直到现在，由于缺乏原始黑洞存在的直接证据，许多科学家认为这一假设只是最后的手段。然而，不能排除原始黑洞存在并广泛分布在宇宙中的可能性。

科学家认为初级黑洞是暗物质的重要候选者有很多原因，但最重要的一点是，它们不能被直接观察到，并且具有巨大的引力，这符合我们对暗物质的要求。然而，汉娜说，如果原始黑洞的数量真的大到足以解释宇宙中所有的暗物质，天文学家过去就不应该发现任何东西。因此，他补充道，即使原始黑洞确实存在，它们也只能形成暗物质的一小部分。

其他人持有不同的观点。马德里自治大学的理论宇宙学家胡安·加西亚-贝利多说:“最初的黑洞可能仍然足以构成所有的暗物质。”他接着补充说，这个古老的天体可能有一系列不同的质量，而不是一个固定的值。如果原始黑洞的质量分布在一个很大的范围内，例如，从太阳质量的千分之几到十亿倍，那么它们可能构成宇宙中所有的暗物质，但是它们还没有被我们发现。他说:“迄今为止发表的研究中有一个共同的问题，即否认初级黑洞构成暗物质，也就是说，所有的初级黑洞质量相同，并且在空间中均匀分布。”如果初级黑洞有如此大的质量差异，它们必须紧密地分布在群体中，这样碰撞和合并才能发生并变得更大。

因为该理论认为，初级黑洞是在大爆炸后的短时间内形成的，所以它们在开始时应该很容易接触到。毕竟，与已经膨胀了近140亿年的当前宇宙相比，早期宇宙空间应该要小得多，所以初级黑洞碰撞的可能性也更大。因此，LIGO研究小组成员之一，纽约弗拉迪兰德研究所的天文学家卡特琳娜·查齐奥安诺认为，尽管观测到的引力波可能确实源于原始黑洞的合并，但发生这种事件的可能性非常小。她也是将在《天体物理学杂志快报》上发表的一篇文章的合著者，这篇文章将GW190425观测归因于中子星碰撞。

去年4月，在LIGO探测到引力波后，世界各地的望远镜开始寻找与之相关的电磁辐射信号——这也是两颗中子星碰撞的典型象征，但天空依然漆黑。哈奇诺·阿努说:“如果两个最初的黑洞合并了，就不会有任何光了。”然而，她补充道，在没有探测到光的情况下，中子星合并的可能性不能被排除。大质量中子星的合并过程可能是平静的，因为它们在碰撞后可能很快产生黑洞而不释放光。另一种可能性是，事件发生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:“有充分的理由解释为什么我们没有观察到光。”

事实上，这一观察只能作为原始黑洞可能性的一个有吸引力的线索，其中两个碰巧在黑暗的宇宙中相遇。如果将来能发现一对黑洞，而且它们的质量比太阳小，这种猜测就能得到真正的证明。汉娜说:“如果你发现一个质量比太阳小的黑洞，那么至少根据现有的天文理论，除了最初的黑洞理论，我们没有其他机制来解释它的起源。”加西亚-贝利多也持有同样的观点:“如果我们能找到质量小于或高于太阳50倍的黑洞，那么我们就有确凿的证据。”

尽管这可能是我们第一次探测到原始黑洞，汉娜和哈奇诺·阿努都认为LIGO这次的观测结果更有可能来自超重的中子星。毕竟，已经有理论可以解释这种质量的中子星是如何形成的，而且形成过程不需要依赖于某些巧合事件的发生。哈奇诺·阿努说:“相比之下，原始黑洞的概率远低于已知质量的中子星。这并不是完全不可能，只是不太可能。”

然而，尽管汉纳和其他研究人员认为星系190425不太可能起源于原始黑洞的合并，加西亚-贝利多仍然对这一理论持乐观态度:“所有LIGO观测结果都可能起源于原始黑洞。”也许只有时间和更多的观察数据能告诉我们答案。

原始链接:

http://www . scientific American . com/article/did-天文学家-刚发现-黑洞-来自大爆炸/