科學(xué)家探測到神秘引力波，疑似來自“原初黑洞”

如果屬實，便是個大事件。

常規(guī)黑洞（左）和“原初黑洞”（右）的合并（想像圖）。

Robert Lea

科學(xué)家可能首次聆聽到了“原初黑洞”產(chǎn)生的引力波。長期以來，“原初黑洞”僅存在于理論上——它們極其迷你，直徑可能超不過硬幣，甚至比原子還要小。

今年11月12日，一次編號為S251112cm的天體合并事件產(chǎn)生的引力波觸發(fā)了LIGO-Virgo-KAGRA引力波探測合作項目的自動警報。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這次事件非同尋常。因為在參與此次事件的兩個天體中，有一個天體的質(zhì)量既不符合恒星級黑洞的特征，也不符合中子星特征。它的質(zhì)量比太陽還小。

恒星級黑洞和中子星都是由瀕死大質(zhì)量恒星內(nèi)核坍縮而成的。理論上恒星級黑洞的質(zhì)量下限是太陽的2.5至3倍，而中子星的質(zhì)量下限大約是太陽的1.17-1.44倍。

但是研究人員發(fā)現(xiàn)，觸發(fā)S251112cm事件的兩個天體中，有一個天體的質(zhì)量只有太陽的0.1-0.87倍。

如果這個信號不是由“噪聲”引起的，那么它所隱含的意義極為重大。它表明，這個天體，或這個天體的前身，可能是一個“原初黑洞”。

所謂“原初黑洞（Primordial black holes）”是在第一批恒星形成前就已經(jīng)存在的黑洞。它們是由大爆炸后最初幾秒充滿整個宇宙的熾熱等離子體湯內(nèi)那些密度過高的區(qū)域轉(zhuǎn)化而來的。

理論上，“原初黑洞”的質(zhì)量可以是一顆豆子的1/100000，也可以是太陽的100000倍。它們常被稱為“非天體物理學(xué)黑洞”，因為它們的形成并不需要經(jīng)歷恒星這一階段。

“原初黑洞”如果真的存在，那么它們一定在宇宙演化過程中扮演過重要角色，甚至它們可能就是宇宙學(xué)最大謎團(tuán)之一——“暗物質(zhì)”本身。

然而人們針對“原初黑洞”的任何探測嘗試都以失敗告終。這可能是因為它們在現(xiàn)代宇宙中已經(jīng)不復(fù)存在。

霍金認(rèn)為，黑洞會通過一種特殊的輻射（亦即“霍金輻射”）損失質(zhì)量。如果黑洞的質(zhì)量巨大，那這一過程將十分緩慢——超大質(zhì)量黑洞的理論壽命可能會比宇宙本身的壽命還長；但是如果黑洞的質(zhì)量很小，比如“原初黑洞”中質(zhì)量最小的那一批，那么它們在形成幾秒后就會蒸發(fā)殆盡。

研究人員表示，不能排除此次事件為誤報的可能。通常此類探測的誤報率大約為每4年發(fā)生1次，而此次事件的誤報率大約為每6.2年發(fā)生1次。對于普通黑洞或中子星合并事件而言，這樣的誤報率是被允許的。而對于S251112cm這樣的罕見信號來說，難免會引起人們更多的關(guān)注。但假如不是誤報，該事件便超出了任何已知天體物理學(xué)知識的解釋能力。

想要尋找與該引力波事件相對應(yīng)的電磁信號源也堪比大海撈針，現(xiàn)有的引力波探測器只能將信號所在范圍縮小到相當(dāng)于月球直徑6000倍的天空區(qū)域。

這意味著人們想要分析這一不可思議的天體合并事件，目前手頭有的只有它產(chǎn)生的引力波數(shù)據(jù)。而要據(jù)此判斷它究竟是否來自“原初黑洞”，除非能夠探測到更多類似信號，否則幾乎不可能。

參考

Curious gravitational wave may hint at primordial black holes—or just be noise

https://www.science.org/content/article/curious-gravitational-wave-may-be-hint-primordial-black-holes-or-just-noise