怎么探测原初黑洞?

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▼黑洞示意图©NASA/ESA and G. Bacon (STScI)

引力波的探测和黑洞照片的发布，确认了天体黑洞（几十到上千万倍太阳质量）的存在。这些黑洞是由引力坍缩而形成：大质量恒星（至少8倍太阳质量）的生命末期坍缩形成；大质量气体云引力探索，中子星吸积物质或碰撞其他天体；高能粒子碰撞产生微型天体。


▲黑洞质量分类©左文文，科普中国[1]

原初黑洞做为一种尚存于理论中的模型，其形成过程不同于天体黑洞（详情请见宇宙最初的黑洞是怎样诞生的？），其质量范围理论上可以跨越从普朗克质量到太阳质量的范围。原初黑洞的存在可以解决一些天文观测上的难题。比如说，它可以为什么解释矮星系周围缺少像普通星系一般的卫星星系。原初黑洞由于其巨大引力而具有摄取物质的能力，可以阻止这些结构的形成。并且它们还可以提供额外的引力（gravitational kick）使得一些恒星在形成之初不聚集在一起[2]。原初黑洞也可以说明我们看到的中心星系相较于理论预言的数量不够多的原因。简而言之便是原初黑洞阻止了矮星系的形成，因此星系融合的链条被打破了[3]。由大多数模拟表明，超大质量黑洞的形成需要数十亿年，现实情况却比这些模拟快得多。而原初黑洞的积累和引力塌缩也可以加快这一过程[2]。

不同质量的原初黑洞需要不同的探测技术方法，下面列举可能捕获原初黑洞信号的几种方式。



第一种是通过引力效应，但是质量较小的原初黑洞合并产生的引力涟漪需要非常高灵敏度的探测器来分辨。与太阳质量相当的原初黑洞可以发出可观的引力波信号，其引力波信号可能来自于原初黑洞的合并，也可能是曲率扰动引起的二阶引力波。近来，North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) 发布的12.5年的脉冲星计时阵列（pulsar timing array，PTA）数据。通过分析脉冲星计时残差的交叉功率谱，他们发现了数据中各项异性的随机过程，这表明NANOGrav可能首次探测到了随机引力波背景。质量小于106千克的超轻原初黑洞（Ultra-light primordial black holes）在原初核合成之前就已经蒸发，因此目前直接对它们的观测是不可能的了。然而它们如果数量巨大，可能在早期宇宙中占主导地位，这样的话在小尺度上造成很大的物质涨落，从而产生引力波[4]。几位日本天体物理学家探究了GW150914，一个2015年的LIGO事件，发现只有数量较少的原初黑洞做为暗物质候选者才能跟观测到的事件上限所匹配[5]。有质量的天体能够产生引力透镜，即使得远处的光发生偏转。20-100个太阳质量的原初黑洞作为点质量透镜（point-mass lenses)，能够改变沿其视线从双黑洞合并中观测到的引力波信号的可能性，分析后者数据可以验证这种原初黑洞的存在[6]。
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▲引力波艺术图©APS/Carin Cain



第二种是通过霍金辐射的产物来反推原初黑洞的分布。具体来说，质量范围在8×1011至1013千克的原初黑洞通过霍金辐射产生正反中微子，而我国的江门中微子观测站（Jiangmen Underground Neutrino Observatory ，JUNO）的液体闪烁探测器便有可能接收到这些信号[7]，而质量处于1013至1014千克区间内的原初黑洞受到银河中心正电子和伽马射线的观测限制[8]。近年来所谓的小行星质量黑洞（Asteroid Mass Primordial Black holes，AMPBHs）越来越受到关注。它们的质量约在1013 - 1018千克的质量区间内， 寿命范围从宇宙年龄的几百倍到几百万倍不等。即将推出的e-ASTROGAM，AMEGO等未来MeV伽马射线望远镜将是后续研究的一个问题[9]。超微弱矮星系因其表面亮度低而很有可能被暗物质主导。美国航空局发射的大视场红外巡天望远镜（Wide Field Infrared Survey Telescope，WFIRST）的观测结果可能会确定一些暗物质的行踪，包括它们是否由原初黑洞组成这一可能。



▲霍金辐射示意图©https://zhuanlan.zhihu.com/p/113249788



第三个方法是分析早期宇宙中的21厘米波长的氢线，原初黑洞所产生的X射线光子。宇宙微波背景中的畸变反应了早期宇宙中的各种过程，由于原初黑洞生成于宇宙早期，它们能在CMB上留下印记。其中一项研究NASA的一个团队（ Alexander Kashlinsky and a team at NASA）观察到了宇宙X射线背景（CXB）和宇宙红外背景，后者发现当时对宇宙结构的理论不足以解释所发现的全部数据。CXB也表明有非常大能量发射源，并且只能是黑洞，因为其周围的物质与晕、盘的形式有相互作用。而从起源的时间看来，只有原初黑洞是可能的，甚至双原初黑洞也能解释。当足够的物质和电磁辐射离开原初黑洞系统之后，它们就能合并成更多更大的黑洞，此前已有理论预言[10]。



▲原初黑洞产生的时间在宇宙历史上的相对位置©esa



第四种方法时原初黑洞与各种天体之间的碰撞或者相互作用产生的结果。比如说恒星位置的不寻常“颤抖”。如果原初黑洞是组成暗物质的成分，那么银河系中有1000亿颗恒星将不可避免与原初黑洞相遇。由于原初黑洞视界面小而恒星质量足够大，前者不会像天体黑洞一样去“吞噬”恒星，但是其引力会使得恒星表面引起明显的振动。我们对太阳的观测技术可以帮助我们去发现其他恒星的振动特征。美国的两位科研工作者曾经模拟了原初黑洞穿过和略过太阳时产生的地震特征（seismic signature）结果，经过他们的计算，预测现有的太阳天文台可以检测到质量超过1021g的原初黑洞带来的影响[11]。然而，如果原初黑洞遇到的是中子星，情况就不同了。后者会被吸入物质，半径减少，增加自转速度。如果吸积足够多的物质，中子飞出并发生碰撞，产生重元素。这个过程可能导致快速射电暴或者在银心中间产生正反物质信号[12]。



▲原初黑洞绕中子星的过程©[14]

最近，西班牙的一位科研工作者提出了热伽马射线暴（Gamma Ray Burst, GRB）有可能起源于原初黑洞。其描述了一个原子大小的原初黑洞向一个超大质量黑洞的径向坠落过程[13]，这项研究考虑到两个黑洞之间相当限制的相互作用，即原初黑洞被其巨大伴侣捕获的俯冲轨道。其模型能够描述GRB的持续时间，但是后期光学和X射线领域的余辉还需一个合理解释。有一定数量的GRB并没有表现出这样的余辉，但有还有不少GRB喷发了一些早期物质。高红移处的原初黑洞跌入超大质量黑洞时的霍金辐射可以解释这些早期物质，可是其爆发持续时间却大于GRB，并且达到亚keV温度。并且此类事件发生率、其他可能的相对论轨道还有待详细讨论。

同一个作者还讨论了原初黑洞与中子星相互作用产生的伽马射线[14]。小行星质量的原初黑洞 与缓慢旋转的中子星的相互作用。根据中子星史瓦西时空中特定的原初黑洞相对论轨道以及该双星系统相对于地球的相对方向，原初黑洞霍金辐射将随时间显示出特征温度分布。其模型计算了大多数事件中可以发生适度的加热行为（或者甚至是渐进和持续的冷却阶段），然后在爆发结束时突然急剧冷却，与热GRB的独特温度演化相似，并且其过程通过 Fermi-LAT 或 e-ASTROGRAM 等现代天文台探测到。作者粗略估计了发生率，原初黑洞与中子星散射大概每年19次事例。落入中子星的概率而每年12次。



这里对探测原初黑洞的几种方法稍作了有限的总结，肯定还有很多巧妙的方法（欢迎在评论区留言最近的研究和自己的想法）。对原初黑洞的研究不仅可以解释暗物质的组成，也可能更好的认识早期宇宙，很多未知的机制和过程等待我们去探索，让我们期待不久的将来人类有机会探测到这些神秘的原初黑洞。

参考文献：[1] https://www.kepuchina.cn/yc/201909/t20190902_1103215.shtml
[2] Garcia-Bellides, Juan and Sebasten Clesse. “Black Holes from the Beginning of Time.” Scientific American Jul. 2017. Print. 40-3.
[3] Clesse, Sebastien and Juan Garcia-Bellides. “Black Holes, Dark Matter.” Scientific American Novemeber 2017. Print. 8.
[4] Papanikolaou T., Vennin V., Langlois D., 2021, J. Cosmology Astropart. Phys., 2021, 053
[5] Sasaki, Misao et al. “Primordial Black Hole Scenario for the Gravitational-Wave Event GW150914.” arXiv: 1603.08338v2.
[6] Jie-Shuang Wang， et al.，Phys. Rev. D 104, 08351
[7] Wang S., Xia D.-M., Zhang X., Zhou S., Chang Z., 2021, Phys. Rev. D, 103, 043010
[8] Laha R., 2019, Phys. Rev. Lett., 123, 251101
[9] Ray A., Laha R., Muñoz J. B., Caputo R., 2021, Phys. Rev. D, 104, 023516
[10] Reddy, Francis. “NASA Scientists Suggests Possible Link Between Primordial Black Holes and Dark Matter.” NASA.gov. NASA, 06 Aug. 2017. Web. 27 May 2018.
[11] Princeton University. “Black hole, star collisions may illuminate universe’s dark side.” Astronomy.com. Kalmbach Publishing Co., 22 Sept. 2011. Web. 24 Sept. 2018.
[12] https://phys.org/news/2017-08-theory-heavy-elements-primordial-black.html & Lucy, Michael. "Primordial black holes may create gold and other heavy elements." cosmosmagazine.com. Cosmos. Web. 29 Aug. 2019.
[13] Barco O., 2021, MNRAS, 506, 806 & Barco O., 2022, MNRAS, 512, 2925
[14] http://arxiv.org/abs/2207.07350

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完