物理学家提出新理论：黑洞形成于宇宙早期，同时还带来了重元素

宇宙中最早的黑洞究竟是在大爆炸发生后 1 秒钟内形成的，还是在大爆炸后的百万年后早期恒星死亡时形成的，这是一个长期困扰着天体物理学界的问题。

近日，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的物理学家们对宇宙早期黑洞的形成，以及它们在重元素（Heavy Elements，如金、铂和铀）出现过程中所扮演的角色提出了新的理论。研究成果刊登在物理学评论快报上。

图丨早期黑洞与中子星相撞后产生重元素的理论解释了为何观测到的银河系中心区域中子星数量稀少

UCLA 物理教授 Alexander Kusenko 和研究生 Eric Cotner 提出了一种新颖简洁的理论，他们认为早期黑洞可能形成于大爆炸后不久，早于成熟恒星出现的时间。有天文学家曾提出，这些早期黑洞或可解释宇宙中全部或部分暗物质的形成原因，还有可能是银河系中心超大黑洞的前身。而在这次 Alexander 和 Eric 的新理论中，形成于宇宙早期的黑洞或许在自然界重元素的形成过程中起了作用。

在研究中，科学家们首先考虑大爆炸后的宇宙中存在着的一个均匀能量场，这种能量场被科学家认为仅存在于遥远的过去。在宇宙迅速扩张后，该能量场分解成了“一块一块”的团状形态，之后，重力会使这些“团块”相互吸引并合并。 UCLA 的研究人员提出，在吸引、合并的过程中，一些“团块”会变得致密，并最终成为黑洞。

Kusenko 说：“我们的理论具有一般性，并不像其他的的早期黑洞理论一样还要以一些‘不太可能的巧合’作为理论成立的必要条件。”

在刊登的论文中，科学家认为用天文观测来寻找这些形成于早期宇宙的黑洞是可能的。其中的一种方法是通过测量恒星亮度（Brightness）的微小变化来进行寻找，而这种变化恰恰就是由古老的黑洞引力效应引起的。在今年早些时候，美国和日本的天文学家发表了一篇论文，描述了他们有关临近星系中所发现的一颗恒星，该恒星忽明忽暗的亮度变化，似乎验证了有一个古老的黑洞正从它们前方通过。

图丨一个被中子星捕获的黑洞

在 Kusenko 与 UCLA 博士后研究员 Volodymyr 和 UCLA 教授 George Fuller 合作的另一个独立研究中，他们提出形成于宇宙早期的黑洞可能在形成重金属元素（如金，银，铂和铀）过程中扮演重要角色，这类过程有可能正在我们或其他星系中发生着。

然而，重元素的起源对科研人员来说一直是一个谜一般的存在。Kusenko 说：“科学家们知道这些重元素的存在，但却并不清楚它们究竟是如何形成的。”

UCLA 的研究认为，一个形成于宇宙早期的黑洞会时不时地与中子星发生碰撞，最终并沉入到中子星内部（中子星是恒星在超新星爆炸后的残余，约一座城市大小，可自转）。

Kusenko 认为，当这种情况发生时，黑洞会从内部不断消耗掉中子星，这个过程可能会持续 1 万年左右。之后，中子星随着自身的收缩，自转会变得越来越快，最终导致一些小的部分被甩离本体。而这些富含中子的分离部分，很可能就是重元素的来源。

然而，Kusenko 同时表示，中子星捕获黑洞的可能性非常低，这种低概率与只有少量星系富含重元素的观察结果一致。形成于宇宙早期的黑洞与中子星相撞以产生重元素的理论也解释了观测到的银河系中心区域中子星数量稀少的问题，这也是天体物理学中的一个未解之谜。

在今年晚些时候，Kusenko 和同事将与普林斯顿大学的科学家合作，对“中子星-黑洞”相互作用产生的重元素的过程进行计算机模拟，并希望能通过将模拟结果与临近星系中重元素的观测结果进行比较，来判断地球上存在的金、铂和铀是否来源于形成于早期宇宙中的黑洞。