原初黑洞与诱导引力波：探测早期宇宙暴胀的新途径

引力波是爱因斯坦广义相对论预言的一种时空扰动，它可以在没有介质的情况下以光速传播。2015年9月14日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到来自两个黑洞合并产生的引力波信号，开启了引力波天文学的新纪元。此后，LIGO和欧洲处女座（Virgo）探测器又陆续探测到多个来自黑洞或中子星合并产生的引力波事件。

然而，除了这些来自孤立源的瞬变信号外，还有一种更加神秘而难以捕捉的引力波存在于宇宙中——随机引力波背景。这种背景信号是由许多不可分辨的源叠加而成的持续信号，类似于电视机屏幕上显示出来的雪花噪声。随机引力波背景可以反映出宇宙历史上不同时期发生过什么样的重大事件。

其中最令人感兴趣和期待的是来自早期宇宙暴胀阶段产生的随机引力波背景。暴胀是指在大爆炸之后极短时间内（约10 ³⁵秒），空间以超过光速迅猛膨胀了约10⁷⁸倍。暴胀解决了标准宇宙学模型中存在的一些难题，并且为原初密度扰动提供了一个量子起源。原初密度扰动在后来演化成为星系和大尺度结构形成所需的种子。

暴胀同时也会产生原初张量扰动或者说原初引力波。这些原初引力波会在整个频率范围内形成一个随机信号，并且保留着早期宇宙最原始和最纯净的信息。如果能够探测到这种信号，就可以验证暴胀理论，并且对暴胀模型进行精确测试。

但是，在目前已有或即将建造完成的地面和空间激光干涉仪能够观测到频率范围内，由暴胀阶段产生的原初张量扰动所导致的随机信号非常微弱，在未来几十年内很难被直接探测到。那么是否有其他途径可以观察到早期宇宙产生原初张量扰动呢？答案是肯定的。近年来，在理论物理学家们共同努力下，发现了一种可能的新途径，利用原初黑洞产生的诱导引力波来探测早期宇宙的信息。

原初黑洞和诱导引力波

原初黑洞是指在早期宇宙中由密度扰动引起的引力塌缩而形成的黑洞，它们不同于恒星演化或合并产生的黑洞。原初黑洞最早由扎尔多维奇在1966年提出，并由霍金等人在上世纪七十年代进一步发展，是暗物质的一个可能候选者。如果存在足够多的原初黑洞，它们就会对宇宙背景辐射、星系形成、引力透镜等现象产生可观测的影响。

原初黑洞形成时，由于密度扰动带来了物质分布和运动状态的变化，因此会产生二阶张量扰动或者说诱导引力波。这些诱导引力波与原初张量扰动有着不同的特征和来源，但都可以反映出早期宇宙密度扰动的信息。因此，通过探测诱导引力波，可以间接地探测到原初张量扰动，并且对暴胀模型进行约束。

诱导引力波信号及其探测

为了计算诱导引力波信号及其探测，我们需要知道两个重要因素：一是原初黑洞形成时期和质量分布；二是密度扰动功率谱。这两个因素决定了诱导引力波信号在频率和振幅上的特征。

根据不同暴胀模型预言的密度扰动功率谱，在不同时间段内可能会有大幅增长或振荡等行为。这些行为会使得某些尺度上出现大于1%甚至1‰以上水平高峰值，从而促进了在相应尺度上形成大量原初黑洞。

我们假设在某个特定时间段内（例如辐射为主时期），密度扰动功率谱出现一个高峰值，并且该高峰值对应于一个特定质量范围内（例如10²²克）的原初黑洞。那么，在该时间段内会形成大量该质量范围内的原初黑洞，并且伴随产生相应频率范围内的诱导引力波信号。

诱导引力波信号对暴胀模型的约束

通过探测诱导引力波信号，我们可以反推出原初黑洞形成时期和质量分布，以及密度扰动功率谱。这些信息可以用来对暴胀模型进行约束或排除。

例如，如果我们观测到了频率为0.003赫兹的诱导引力波信号，并且其振幅超过了引力波干涉仪的灵敏度阈值，那么我们可以推断出在辐射为主时期有大量质量为10²²克的原初黑洞形成，并且密度扰动功率谱在相应尺度上有一个高峰值。那么，任何不能预言这种高峰值出现的暴胀模型都将被排除。

相反，如果我们没有观测到任何诱导引力波信号，并且其振幅低于干涉仪的灵敏度阈值，那么我们可以推断出在辐射为主时期没有大量原初黑洞形成，并且密度扰动功率谱在相应尺度上没有明显增长或振荡等行为。那么，任何预言这种行为发生的暴胀模型都将被排除。

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来源：万象经验

编辑：Tammy