物理學家提出新理論：黑洞形成於宇宙早期，同時還帶來了重元素

宇宙中最早的黑洞究竟是在大爆炸發生後 1 秒鐘內形成的，還是在大爆炸後的百萬年後早期恆星死亡時形成的，這是一個長期困擾著天體物理學界的問題。

近日，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的物理學家們對宇宙早期黑洞的形成，以及它們在重元素（Heavy Elements，如金、鉑和鈾）出現過程中所扮演的角色提出了新的理論。研究成果刊登在物理學評論快報上。

圖丨早期黑洞與中子星相撞後產生重元素的理論解釋了為何觀測到的銀河系中心區域中子星數量稀少

UCLA 物理教授 Alexander Kusenko 和研究生 Eric Cotner 提出了一種新穎簡潔的理論，他們認為早期黑洞可能形成於大爆炸後不久，早於成熟恆星出現的時間。有天文學家曾提出，這些早期黑洞或可解釋宇宙中全部或部分暗物質的形成原因，還有可能是銀河系中心超大黑洞的前身。而在這次 Alexander 和 Eric 的新理論中，形成於宇宙早期的黑洞或許在自然界重元素的形成過程中起了作用。

在研究中，科學家們首先考慮大爆炸後的宇宙中存在著的一個均勻能量場，這種能量場被科學家認為僅存在於遙遠的過去。在宇宙迅速擴張後，該能量場分解成了「一塊一塊」的團狀形態，之後，重力會使這些「團塊」相互吸引併合並。 UCLA 的研究人員提出，在吸引、合併的過程中，一些「團塊」會變得緻密，並最終成為黑洞。

Kusenko 說：「我們的理論具有一般性，並不像其他的的早期黑洞理論一樣還要以一些『不太可能的巧合』作為理論成立的必要條件。」

在刊登的論文中，科學家認為用天文觀測來尋找這些形成於早期宇宙的黑洞是可能的。其中的一種方法是通過測量恆星亮度（Brightness）的微小變化來進行尋找，而這種變化恰恰就是由古老的黑洞引力效應引起的。在今年早些時候，美國和日本的天文學家發表了一篇論文，描述了他們有關臨近星系中所發現的一顆恆星，該恆星忽明忽暗的亮度變化，似乎驗證了有一個古老的黑洞正從它們前方通過。

圖丨一個被中子星捕獲的黑洞

在 Kusenko 與 UCLA 博士後研究員 Volodymyr 和 UCLA 教授 George Fuller 合作的另一個獨立研究中，他們提出形成於宇宙早期的黑洞可能在形成重金屬元素（如金，銀，鉑和鈾）過程中扮演重要角色，這類過程有可能正在我們或其他星系中發生著。

然而，重元素的起源對科研人員來說一直是一個謎一般的存在。Kusenko 說：「科學家們知道這些重元素的存在，但卻並不清楚它們究竟是如何形成的。」

UCLA 的研究認為，一個形成於宇宙早期的黑洞會時不時地與中子星發生碰撞，最終並沉入到中子星內部（中子星是恆星在超新星爆炸後的殘餘，約一座城市大小，可自轉）。

Kusenko 認為，當這種情況發生時，黑洞會從內部不斷消耗掉中子星，這個過程可能會持續 1 萬年左右。之後，中子星隨著自身的收縮，自轉會變得越來越快，最終導致一些小的部分被甩離本體。而這些富含中子的分離部分，很可能就是重元素的來源。

然而，Kusenko 同時表示，中子星捕獲黑洞的可能性非常低，這種低概率與只有少量星系富含重元素的觀察結果一致。形成於宇宙早期的黑洞與中子星相撞以產生重元素的理論也解釋了觀測到的銀河系中心區域中子星數量稀少的問題，這也是天體物理學中的一個未解之謎。

在今年晚些時候，Kusenko 和同事將與普林斯頓大學的科學家合作，對「中子星-黑洞」相互作用產生的重元素的過程進行計算機模擬，並希望能通過將模擬結果與臨近星系中重元素的觀測結果進行比較，來判斷地球上存在的金、鉑和鈾是否來源於形成於早期宇宙中的黑洞。

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編輯：Peter 校審：郝錒鈾

參考：https://phys.org/news/2017-09-physicists-theories-black-holes-early.html

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