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原生黑洞（Primordial 黑色 hole），又稱太初黑洞、強(qiáng)黑洞，是宇宙大爆炸后產(chǎn)生的黑洞類型。

根據(jù)原生黑洞形成的確切時(shí)間，其質(zhì)量可能低至10-7盎司（10-5克），或比回形針小100,000倍，也可能大到太陽(yáng)的100,000倍。原生黑洞在宇宙中存在時(shí)間最短，體積和質(zhì)量都極小。其聚集并孕育了早期星系的形成，還可以作為星系形成的“種子”，創(chuàng)造出在許多星系核心發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞。

無(wú)論原始黑洞在哪里或以何種方式被發(fā)現(xiàn)，它們都可以告訴天文學(xué)家很多關(guān)于宇宙的信息。根據(jù)原始黑洞的質(zhì)量，它們可以作為星系演化、高能物理學(xué)，甚至宇宙誕生后最早的幾分之一秒的探測(cè)器。

概念

黑洞是恒星因?yàn)樽陨碇亓o(wú)法與其質(zhì)量產(chǎn)生的引力抗衡而發(fā)生引力坍塌后形成的，其中心密度趨向無(wú)限大、時(shí)空曲率變化無(wú)窮高、體積可無(wú)限縮小，可以吞噬周邊一切天體。

原生黑洞，也稱為太初黑洞，是宇宙剛開始大爆炸的最初時(shí)刻產(chǎn)生的黑洞，宇宙在極早期由于局域空間的物質(zhì)分布過(guò)于密集，導(dǎo)致直接坍塌形成黑洞。根據(jù)理論，宇宙大爆炸初期產(chǎn)生的極高溫度和壓力導(dǎo)致物質(zhì)密度波動(dòng)，局部區(qū)域密度增大至形成黑洞。盡管宇宙膨脹使得大部分高密度區(qū)域迅速分散，但原生黑洞由于穩(wěn)定性較高而可能存留至今。原生黑洞是宇宙中最小的黑洞。

形成理論

原生黑洞誕生于宇宙生命的早期，僅比大爆炸晚幾分之一秒。20世紀(jì)70年代，物理學(xué)家斯蒂芬·霍金提出，在大爆炸后宇宙存在的第一秒內(nèi)，其密度可能會(huì)發(fā)生波動(dòng)，某些區(qū)域的混亂程度足以產(chǎn)生黑洞。原生黑洞是由核子發(fā)生連續(xù)相變后由大量超微夸克組成的具有統(tǒng)計(jì)熱平衡性質(zhì)的高溫、超高密度物態(tài)。對(duì)其壽命、爆炸持續(xù)時(shí)間和能量發(fā)射率的計(jì)算結(jié)果表明，原生黑洞可能是超高能宇宙γ暴的最佳對(duì)應(yīng)天體。

2018年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系教授蔡一夫領(lǐng)導(dǎo)的粒子宇宙學(xué)青年研究團(tuán)隊(duì)在原初黑洞形成的理論研究中取得了突破，相關(guān)論文在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。蔡一夫團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果原初宇宙中存在以音速傳播的物質(zhì)密度擾動(dòng)，且形成周期性振蕩，那么原初密度將發(fā)生周期性疊加，增加原初黑洞的產(chǎn)生幾率。

特點(diǎn)

原生黑洞理論上可以擁有任何質(zhì)量。它們的大小可能從亞原子粒子到幾百公里不等。根據(jù)原生黑洞形成的確切時(shí)間，其質(zhì)量可能低至10-7盎司（10-5克），或比回形針小100,000倍，也可能大到太陽(yáng)的100,000倍。原生黑洞在宇宙中存在時(shí)間最短，體積和質(zhì)量都極小，比原子核還要小，甚至可以看成是零，由于它的引力很微弱，并不能吞噬整個(gè)恒星，光也可從中逃逸。在與恒星發(fā)生碰撞等接觸時(shí)，原生黑洞會(huì)導(dǎo)致恒星表面上出現(xiàn)明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。斯蒂芬·霍金理論認(rèn)為，原生黑洞可以隨著輻射逸出而緩慢收縮，隨著時(shí)間的推移，被稱為霍金輻射的緩慢泄漏會(huì)導(dǎo)致原生黑洞蒸發(fā)。

物理性質(zhì)

密度和溫度

在宇宙暴脹、相變中的原生黑洞密度為500×1041MeV/fm3。其溫度極高，不僅可發(fā)生“色熔化”，使夸克解除囚禁而形成夸克等離子態(tài)，而且可以發(fā)生連續(xù)相變，使夸克下一層次的亞夸克、亞夸克下一層次的“微夸克”等自由度都獲得開放。

質(zhì)量和壽命

原生黑洞的質(zhì)量為1014g（質(zhì)量下限），其壽命下限在108a～1011a之間。

超高能γ暴的持續(xù)時(shí)間

由原生黑洞壽命末期爆炸形成的γ暴，其持續(xù)時(shí)間可能在1～1000s之間，具有持續(xù)時(shí)間短、γ光子能量可達(dá)GeV～TeV能區(qū)的特點(diǎn)。

不相容性規(guī)律

一個(gè)原生黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于一個(gè)核子質(zhì)量的A2倍，而一個(gè)原生黑洞只能容納一個(gè)核子，是個(gè)費(fèi)解的不相容規(guī)律。

探測(cè)方法

2024年，由紐約州立大學(xué)布法羅分校的研究人員共同領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究建議，在兩個(gè)截然不同的尺度上尋找原生黑洞的證據(jù)：太空中的空心小行星和地球上日常材料（如巖石、金屬和玻璃）中的微小隧道。這項(xiàng)理論研究發(fā)表在《黑暗宇宙的物理學(xué)》（Physics of the Dark Universe）12月刊上，它假設(shè)一個(gè)原始黑洞被困在宇宙中的一個(gè)大型巖石物體中，會(huì)消耗其液態(tài)核心并使其處于空洞狀態(tài)，這些空心物體可以用望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到。或者，更快的原始黑洞可能會(huì)留下足夠大的筆直隧道，如果穿過(guò)固體物質(zhì)，包括地球上的物質(zhì)，顯微鏡可以看到。該研究計(jì)算了空心小行星在不自行坍縮的情況下可以有多大，以及原始黑洞穿過(guò)地球上物體的可能性。

影響

研究推測(cè)，宇宙大爆炸后形成的原始黑洞(最左邊的那張圖)構(gòu)成了宇宙中所有的暗物質(zhì)。在早期，它們聚集并孕育了早期星系的形成，然后通過(guò)吸收氣體并與其他黑洞合并，最終形成超大質(zhì)量的黑洞。這些黑洞位于銀河系這樣的星系中心。耶魯大學(xué)的研究表明，如果大多數(shù)原生黑洞的初始質(zhì)量約為太陽(yáng)的1.4倍，那么就可解釋所有暗物質(zhì)的存在，尤其是當(dāng)它們繼續(xù)吸收附近更多的氣體甚至是恒星。原始黑洞還可以作為星系形成的“種子”，創(chuàng)造出在許多星系核心發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞。此外，原生黑洞的毀滅可能是伽馬射線爆發(fā)的一個(gè)解釋，并且它們的一系列問(wèn)題被認(rèn)為是解決包括暗物質(zhì)、宇宙疇壁問(wèn)題和單極問(wèn)題的方案。