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。
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。
赵匡胤为什么不杀李煜:李煜性格懦弱无法复国(不足为惧)
赵匡胤是宋朝的开国皇帝,而李煜则是南唐后主,曾经南唐的君主还都宣称南唐是李世民的后裔,此事暂且不论真假,在南唐被赵匡胤灭掉之后,李煜也成了亡国君主,被赵匡胤幽禁着,那么南唐是否李唐后裔都不重要了。但是奇怪的是,明明是一个亡国之君,历史上这种情况大多为了免除后患都会将亡国之君直接杀了,为什么赵匡胤不杀李煜呢?赵匡胤为什么不杀李煜我要新鲜事2023-05-13 05:03:290000凭借一己之力拉动数万星系,巨引源是啥?宇宙结局会是大撕裂吗?
宇宙中有很多力量是人类目前想象不到的,我们现在只能看到某些天体的引力很大,能吸引周围质量较小的天体围着自己转动,或者向自己的靠近。比如太阳能让系内的八大行星围着自己转,黑洞能吸引无数大型天体,然后把它们吞噬。但引力只是宇宙中非常普通的现象,还有一些力量超乎我们的认知,大到能凭一己之力拉动数万星系,甚至撕裂整个宇宙。能拉动庞大星系的宇宙力量我要新鲜事2023-06-20 19:23:3600008000年前的农作物,成为了第一个能在太空种植的生物(太空植物)
土豆非常有希望能够在其他星球种植对于我们中国人来说,一片土地好不好?其实能源也不是最主要的,而是他能不能够种植粮食,俗话说民以食为天,只要一片土地能够种植粮食,那么人类就有发展的希望,现在人们已经开始探索宇宙,我们中国人也是想要知道在宇宙当中的某些星球能不能够充治疗师。而现在已经有土豆成功种植到了宇宙当中。我要新鲜事2023-05-15 03:11:380001黑龙江的源头在哪里 黑龙江有两个源头(南边北边)
黑龙江有两个源头,一个在南边,一个在北边。南边是额尔古纳河,北边是俄罗斯的石勒喀河。南边与北边汇聚在一起,其位置在漠河。汇合之后被称为了黑龙江,江水滔滔蜿蜒的向东流去,犹如一条巨龙,非常的壮观。每年都会有大批的游客到黑龙江的源头旅游。一、美丽黑龙江我要新鲜事2023-05-11 16:53:410000牛肉是发物吗?牛肉属于发物的范畴受伤最好少吃
牛肉是一种常见的发物,所谓的发物就是一种营养比较高或说具有刺激性可以诱发或说让旧疾病更严重的食物,在生活当中发物是比较常见的。牛肉是发物吗牛肉确实属于发物的范畴,其中的蛋白质氨基酸等等都是身体需要的,虽然说是相当富有营养的,但是某些时候还是少吃为妙。大家对于牛肉有着诸多疑问,有人好奇石榴和牛肉一起吃可以吗,其实这两种可以搭配一起吃的,没什么问题。生活中还有那些食物是发物我要新鲜事2023-05-11 18:54:210000