我校物理学院天文学系蔡一夫教授领导的粒子宇宙学青年团队针对宇宙极早期的原初黑洞形成及后期演化动力学的理论研究取得了突破，提出并实现了一类理论机制，通过在宇宙暴胀时期的声速振荡所产生的共振效应大大提高了原初黑洞的产生率，并有望在不久将来的天文学观测中得到检验。该成果以“Primordial Black Holes from Sound Speed Resonance during Inflation”为题，在线发表在8月24日的国际权威期刊《物理评论快报》上。
原初黑洞是宇宙在极早期由于局域不均匀性导致物质密度扰动坍塌所形成的黑洞。早在1960年代，物理学家雅科夫·泽尔多维奇（Yakov Zel'dovich）和斯蒂芬·霍金（Stephon Hawking）分别指出了这类黑洞的理论可能性。这些原初黑洞可以为宇宙学和天文学观测提供丰富的科学目标，例如，宇宙学家佐佐木节（Misao Sasaki）曾指出，为了解释自2015年以来引力波激光干涉天文台（LIGO）所捕获的黑洞引力波信号，一种理论起源就是原初黑洞。然而，基于标准宇宙学学模型所建立起来的扰动理论给出的原初黑洞的产生率极为低下，通常不足以带来令人期待的观测效应，这为在宇宙学和天文学上探测原初黑洞提出了极大挑战。
图示：极早期宇宙中的原初黑洞示意图。
在本研究中，蔡一夫团队提出并实现了一种崭新的原初黑洞产生机制，即通过暴胀末期的宇宙学扰动声速振荡来诱发原初物质密度涨落的共振放大，从而大大提高原初黑洞的产生率。在宇宙学扰动理论中，声速本身只刻画了宇宙原初时期物质密度涨落的传播速度，然而通过引入一个振荡修正项，可以让原初密度涨落中与振荡项频率相等或呈倍数关系的扰动模式发生指数放大，具体体现为该动力学方程在数学形式上可以表达成著名的马蒂厄方程（Mathieu equation）。这就好比一个小孩站在秋千上做下蹲运动，当下蹲运动频率与秋千摆荡频率同步或也呈倍数关系时，秋千摆动会随之增大。该研究表明，这种动力学机制可以在当前天文学观测限制允许范围内十分有效地产生质量分布在[10-17,105]倍太阳质量的原初黑洞，并且还预言了，原初黑洞的质量谱呈周期性的分立谱结构。进一步分析表明，这种原初黑洞形成机制可以为当前宇宙学观测中一定比例的暗物质提供理论解释。随着天文学发展走进了多信使时代，原初黑洞的可检验性也变得愈发可靠，特别是，质量分布为分立谱的原初黑洞理论为当前的天文学观测中黑洞质量分布具有明显数量级差距提供了一类可能的理论诠释。
图示：通过声速共振可以极高效率产生原初黑洞。
审稿人高度评价该工作“作为一个崭新的理论出发点，所提出的现象学方法以及所得到的初步结果都是原创性的，并很好地说明了原初黑洞产生率可能远比想象中的要高”。
图示：左上为原初物质密度涨落经由声速共振放大后的功率谱；左下为原初黑洞质量分布呈分立谱；右为已知恒星级黑洞天体质量分布。
该研究团队作者还包括香港科技大学博士生童曦、荷兰莱顿大学博士生王东刚和中科大天文系博士生鄢盛丰，其中童曦和王东刚也是来自中科大天文系的优秀毕业生。
本研究获得中国科大创新团队培育基金、中国科协青年人才托举工程、国家自然科学基金委优秀青年基金、委主任基金、创新团体，以及荷兰国家科学研究基金的资助。
论文出处链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.081306
[Yi-Fu Cai, Xi Tong, Dong-Gang Wang, Sheng-Feng Yan, “Primordial Black Holes from Sound Speed Resonance during Inflation”, Physical Review Letters 121, 081306 (2018).]
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