【深度認識】原始黑洞

當談到宇宙中的「黑洞」（Black Hole），我們會想像一個無底深淵，把周圍一切都吞噬掉，連光都逃不出去。但你知道嗎？其實天文學家除了研究那些由恆星死亡後形成的「恆星級黑洞」，還在追尋更神秘、甚至比宇宙歷史還要古老的「原始黑洞」（Primordial Black Hole）。這些小至跟原子差不多、大到與地球相若的黑洞，或許早在宇宙大爆炸（Big Bang）後的一剎那已經出現，甚至有理論認為，它們可能就是「暗物質」（Dark Matter）的真身！今天，讓我們用最貼地的方法，一起探索這些藏身於宇宙深處的神秘天體——原始黑洞。

何謂原始黑洞？

一般來說，黑洞是由質量極大的恆星經過超新星爆炸（Supernova）後形成——換個角度想，好像一個人走到人生的盡頭、所有東西一下子收縮進去，不留痕跡。但是「原始黑洞」（Primordial Black Holes, PBHs）卻不同，它們不是「死於非命」，而是「先天存在」：理論上在宇宙剛誕生——也就是137億年前的大爆炸（Big Bang）過後不久，宇宙密度極高，冷熱不均。有些區域的物質過度聚集時，就會因重力壓縮，瞬間形成黑洞。這些黑洞就是原始黑洞。

你可以將它們想像成「宇宙大爆炸的副產品」，不像我們熟悉的恆星和行星經歷數十億年的演化才誕生，而是一誕生宇宙就已陪伴我們到現在。

原始黑洞的基本參數與比較

質量（Mass）：原始黑洞的理論質量範圍非常廣，可以由大約每粒質子10^15倍（即10¹⁵克）到太陽質量（太陽質量約2 x 10³³克）甚至更大。地球的質量約6 x 10²⁷克；比較下，某些理論原始黑洞甚至比地球還重。
體積（Volume）：黑洞用「史瓦西半徑」(Schwarzschild radius) 計算事件視界半徑。若有一個等同地球質量的原始黑洞，其半徑約僅為1厘米！相比之下，地球半徑有6,371公里（約6371萬厘米）。小得像一個玻璃珠，但質量和地球一樣！
溫度（Temperature）：按霍金輻射（Hawking Radiation）理論，黑洞會有溫度並輻射能量。質量愈小，溫度愈高。例如，一個質量相等於地球的黑洞，溫度大約是0.02開爾文（比宇宙微波背景輻射還要冷）；而一個質量只有1億噸（10^14公斤）的黑洞，溫度已高達一億度！
成分（Composition）：跟普通黑洞一樣，任何進入事件視界的物質都會「消失」——物理學上，黑洞只會保留質量（mass）、電荷（charge）、自轉（spin），不再分「成分」，只有這些基本物理性質。
距離地球的距離（Distance to Earth）：目前還未有直接發現已經確認的原始黑洞，因此無法給出明確距離。假如原始黑洞是暗物質的一部分，其分布理應遍布銀河系甚至附近。
自轉/公轉週期（Spin/Orbit period）：黑洞可有自轉（旋轉黑洞，Spinning Black Hole），但因無直接觀測原始黑洞，所以自轉速度有極大彈性，可能極快，也可能極慢；公轉則視乎它是否被捲入其他天體重力場內，如環繞恆星或另一黑洞。
歷史（History）：假如原始黑洞存在，它們的歷史比太陽和地球還要久遠。「宇宙誕生」之時（約138億年前）已形成，至今未必有太大變化（視乎霍金輻射速度和質量）。

原始黑洞從何而來？——宇宙早期的奇蹟

在日常生活裡，我們會說「蛋糕只有足夠的材料才會做好」，但原始黑洞不需要專屬「材料包」：它們的誕生來自宇宙本身的「初期波動」。大爆炸後的宇宙極度熾熱和密集，物質分佈並不均勻，某些極細微的重力波動區在一丁點時間內就壓縮到極致，「一秒鍾出生的宇宙寶寶」，這就是原始黑洞誕生的瞬間。

這種黑洞的形成方式與恆星級黑洞（由超新星爆炸形成），甚至超大質量黑洞（Supermassive Black Hole, SMBH）大相徑庭。後者需要大量物質長期積聚，而原始黑洞則是「即刻拍板」，只要某一區密度超標，馬上黑洞。

這種特殊來源亦導致原始黑洞可出現於各種大小、質量，甚至有極微細的黑洞——例如一粒花生、一個芝麻般大，卻可以有月球甚至地球的質量！

原始黑洞與太陽、地球的對比

讓我們比較一下原始黑洞、太陽和地球的不同：

天體	質量	半徑/體積	溫度
原始黑洞（假設地球質量）	約6 x 10²⁷克	半徑約1厘米，體積約4.2立方厘米	0.02開爾文
地球	6 x 10²⁷克	半徑6371公里，體積約1.08 x 10²⁷立方厘米	地核約6000開爾文，表面約288開爾文
太陽	2 x 10³³克	半徑696,340公里，體積約1.4 x 10³³立方厘米	核心約1,500萬開爾文，表面5778開爾文

你會發現，把地球的質量「壓縮」到微微一粒珍珠，宇宙規模下什麼都可能發生！

原始黑洞有可能就是暗物質？

「暗物質」（Dark Matter）還未找到，但它在銀河系的存在早有種種間接證據。近年有理論認為，原始黑洞正好滿足暗物質的多個特徵：「不發光、不吸引電磁波、質量龐大、數目極多」。如果每個原始黑洞質量適中、數量廣泛，或許就寫成宇宙暗物質的拼圖。但天文學家仍在透過各種方法，如微引力透鏡（Gravitational Microlensing）、伽瑪射線背景（Gamma-ray background）去搜尋原始黑洞——暫時效果有限，但這個暗物質假說仍然「極具吸引力」。

如何發現原始黑洞？

原始黑洞本身不可見，但它們重力強大，經過背景恆星前會造成「微引力透鏡」（microlensing）效應，令恆星亮度暫時上升；又或者，它們釋放的霍金輻射在極端情況下會產生高能伽瑪射線。這些微弱信號是科學家抽絲剝繭追蹤的線索。

不過由於原始黑洞太小，且極難與其他天體互動漂浮星際之間，要證明它們真的存在，仍是一項巨大挑戰。

「蒸發」的原理——霍金輻射與黑洞壽命

1970年代霍金（Stephen Hawking）提出理論，指出黑洞會慢慢「蒸發」（蒸發原理，Evaporation）——愈細小黑洞，壽命愈短。所以如果原始黑洞起初太小，例如質量小於一千億噸（約10^11公斤），它們早就因霍金輻射而「蒸發」消失了。謂之「存活」到現今宇宙的原始黑洞，一定達到某臨界質量。

簡單類比：一杯熱茶放在室外，茶面愈多、愈快冷卻（蒸發）；同理，黑洞愈細小，表面積相對愈大，輻射速度愈快。

對現代天文學的啟示

今日，原始黑洞理論不單解釋「暗物質」這宇宙謎題；2019年LIGO及VIRGO引力波天文台發現多宗「意想不到」質量的黑洞合併事件，有部分質量介乎恆星級至超大質量之間。這些事件引發新一輪推測：「會否這些黑洞部分其實源自大爆炸殘留的原始黑洞？」甚至有科學家提出，銀河中心的超大質量黑洞，昔日可能由大量原始黑洞不斷合併而來。