最神秘的引力波信号，可能证实霍金半世纪前的理论？

约半个世纪之前，霍金提出了原初黑洞理论。他认为这种黑洞诞生于宇宙之初，并且构成了宇宙中的暗物质。去年4月，LIGO探测到了一次难以解释的引力波。许多天文学家将其归因于“超重”的双中子星的碰撞，然而也有人提出了更为奇特的解释——两个原初黑洞的并合。如果这是真的，这将1 o M Y @ g F E _是我们首次探测到原初黑洞。

图为两中子星并合的数值模拟的快照。可以看到，在剧烈爆炸发生的前一刻，星体受到了潮汐力的: J c Q ) } ( 拉伸。

自从美国激光干涉引力波天文台（LIGO）在2015年首次直接探测到引力波以来，引力波已经成为天文学界最热门的话题之一。通常情况1 @ 4 ?下，研究人员可以通过这种由黑洞并合产生的时空涟漪来研究该过程的内部机制。不过，LIGO探测到的引力波还可能源于其他天体碰撞事件，比如双中子星并合等等。因此，有时LIGO的探测结果会让天文学家们感到困惑。这样的困惑在去年4月观测到的一次引力波事件中达到峰值。这次编号GW190425的引力波事件的来源引发了极大的争论，直到最近，它才被归因于双中子星并合。但是，这] m j n个结论依然无法令所有天文学家信服。

引发争论的要点在于，LIGO的观测数& r o * K据显示，这对中子星的质量超出预期——其总质量约为太阳的3.4倍，比已知最大的双中子星系统还要7 o ( M Y * E重0.5个太阳质量。美国宾夕法尼亚州立大学的天文学家查德汉纳（Chad Hanna）这样评价道：“这是已知最重的v | q中子星，其质量超乎想象。”

这个异常的质量使一些科学家产生了怀疑，他们认为GW190425可能不是由双中子星的并合产生的，而是来自另一种更加奇特的事件——两个原初黑洞（primordial black hole, PBH）的并合。暗物质是遍布宇宙的某种不可见物质，它可能占据了宇宙总质量的23%。而原F } b = # - g O R初黑洞被视为解释暗物质构成的b D m候选者之一。一种理论认为，在大爆炸后很短的时间内，宇宙中的密度涨落形成了这种最古老的黑洞，它们一直存在至今，并且能够解释最近LIGO观测中发现的质量异常。

大约半个世纪前，宇宙A 0 }学家斯蒂芬霍金（Stephen Hawking）提出，原初黑洞可能形成于物质非常致密的婴儿期。此后，这个理论在天文学家和宇宙学家中引发了广泛的讨论。直至今日 ，L + H ? R O ] E由于一直缺少原初黑洞存在的直接证据，许多科学家仅在万不得已的L ^ o C m = b情况下才会考虑这一假设。不过，原初黑洞真实存在，并且/ ; X P ( ( h C在宇P q u A l N p a宙中广泛分布的可能性依然不能排除。

科学家将原初黑洞视为暗物质重要候选者的原因有很多，但最重要的一点在于d W ^，它们无法被直接观测到，同时拥有巨大的引力，这符合我们对暗O r d Y - H 3 [ k物质的要求。尽管如此，汉纳仍然表示，如果原初黑洞的数量真的多到足以解释宇宙中所有暗物质，那么过去天文学家对原初黑洞的搜寻就不应该一无所获。因此，他补充y [ | ^道，即使原初黑洞真的存在，它们也只能构成暗物质的一小部分。

也有人持不同的观点。西班牙马德里自治大学的理论宇宙学家胡安加西亚-贝利多（Juan Garca-Bellido）认为：“原初黑洞或许W ! S , v L 3 e仍然0 o / ; H a O %足以构成所有的暗物质。”他随后补充道，这种古老的K i J E 7 _ % i天体可能具有一系列不同的质量，而不是某个固定值。如果原初黑洞的质量分布在一个巨大的范围之中，例如从太阳质量的几千分之一到十亿倍，那么它们就有可能构成宇宙中全部的暗物质，却仍未被我们O Y s p发现W ; G。他表示：“目前发表的那S k r些否认原初黑洞构成暗物质的研究存在一个共同的问题，那就是认为所有原初黑洞的质量都一样，并且在空间中均匀分布。”如果原初黑洞存在如此大的质量差异，那么它们必须紧密地成群分布，这样才能发生碰撞和并合，从Y B I L D n而变得更大。

由于理论认为原初黑洞是在大爆炸后很短的一段时间内形成的，因此它们最初应当{ V S 8 9 }很容易发生接触。毕竟相比现在这个膨胀了近140亿年的宇宙，早期的宇宙空间应当小很多，因此原初黑洞发生碰撞的可能性也更大。因此，LIGO= 0 { ( `团队的成员之一，纽约弗拉迪朗研究所的天文学R W + W B U W v ` y # @有可能仅来源于超重的中子星。毕竟，目前已经有理论可以解释质量如此大的中子星是如何形成L h ] x 4 = T u }的，并且其形成过程并不需要依赖于某种巧合事件的发生。哈奇约安奴表示：“相比之下，（这一引力波事件源于）原初黑洞的可能性远远小于超出已知质量的中子星的可能性。并不是说它完全不可能，只是可能性很小。”

不过，尽管汉纳等研究者都认为GW19042r A k X5不太可能源于原初黑洞的并合，加西亚-贝利多仍然对这一理论保持着乐观的态度：“所有LIGO的观测事件都有可能源于原初黑洞。”或许只有时间和更多的观测数据，才能告诉我们答案吧。

翻译：张G - E m D二七

审校：吴非

原文链接：

https://www.scientificamerican.com/article/did-astronomers-just-discoveO D _ Rr-black-holes-fr/ R H Tom-the-big-L } ~ Sbang/