黑洞可能已经穿过了地球,只是我们一直没发现

你是不是觉得黑洞离我们的生活很遥远?但对一些物理学家来说,迟迟找不到的暗物质让他们宁愿相信,黑洞已经穿过了地球,只是我们没有发现。

一般的黑洞是在恒星耗尽核燃料后形成的,经该途径产生的黑洞质量一般都比太阳质量更大。如果一颗比太阳还重的黑洞穿过地球,不要说地球,整个太阳系的轨道都会被它搅得乱七八糟,打击效果堪比《三体》中的“光粒”,人类不可能注意不到——如果说没发现,那也只可能是人类文明在发现这样的黑洞之前就已经被它摧毁了。

黑洞想象图(图片来源:pixabay)

原初黑洞

但最近一篇发表在《暗宇宙物理学》(Physics of the Dark Universe)上的论文将目光投向了另一种黑洞,原初黑洞(primordial black hole)。这种黑洞是宇宙大爆炸时,因为局部密度涨落产生的小型黑洞,这样的黑洞质量可能只相当于一颗小行星,体积则只有一颗原子大小。我们观测不到这样的黑洞,但它会对外有引力作用,也是暗物质的候选成分。

论文认为,如果宇宙中真的存在原初黑洞,那它可能在宇宙中催生一些空心小行星,也有可能在地球的古老岩石中留下笔直的细隧道,我们可以通过这些现象来寻找原初黑洞。

原初黑洞示意图(图片来源:NASA)‍‍

原子大小的原初黑洞可能会被小行星捕获,如果小行星的核心又是熔岩组成的,那么就可能产生一种情况:小行星中心的熔岩都被核心的原初黑洞吞噬,外层的岩石空壳因为是固体,凭借着自身的强度抵抗着引力向内坍缩的趋势。最终,这颗小行星会变成一颗空心小行星。论文计算发现,对于宇宙中常见的物质,比如花岗岩或铁,只要它们的大小不超过地球半径的 1/10,那么材料的强度就可以抵抗引力的拉伸。所以,如果我们在宇宙中发现了密度很低,大小不超过地球半径 1/10 的小行星,就有可能是原初黑洞导致的空心小行星。

事情到这里看起来还算常规天文学的范畴,但论文并不满足在太空中寻找原初黑洞,他们甚至想在地球上寻找原初黑洞的痕迹。

原初黑洞很有可能会在宇宙中快速穿梭,如果一颗质量 10²² 克的原初黑洞穿过地球,那它可能会在刚性物体中留下一条直径大约 0.1 微米的隧道。不用怕,这样的原初黑洞穿过人体的概率非常低,就算它真的穿过人体,因为相对速度很高,反而造成的破坏很小,这样的隧道太细了,不会对我们的身体产生什么影响。

但如果真的观测到这样的细隧道,就说明原初黑洞可能真的存在。研究人员计算发现,平均来说,每 10 亿年能在 10 平方米的截面积上留下 0.000001 个这样的隧道。研究人员表示,这样的概率对于寻找暗物质来说是可以接受的。或许我们可以放置一些大面积的金属板,用显微镜在上面找直径 1 微米左右的隧道,用这种方式来寻找暗物质的可能——原初黑洞。

疯狂的想法,无奈的现实

不管是认为黑洞已经穿过了地球,还是认为这样低的概率可以接受。究竟是人性的扭曲,还是道德的沦丧,让物理学家产生了这样疯狂的想法?其实,全都是被暗物质逼的。

在天文学家的眼中,不论是为了解释“邻近”星系的旋转速度,还是为了解释整个宇宙的演化过程,暗物质早已成了不可或缺的一环。我们无法通过电磁波观测到这种物质,却能几乎在所有地方观测到它的引力影响。所以,这种看不见,但又有引力作用的物质究竟是什么,是物理学家最关心的问题之一。

直到最近几年之前,物理学家还只将探索的重点集中在大质量弱相互作用粒子(Weakly interacting massive particles,WIMP)上。这是一类假想中的粒子,它们与当前粒子物理标准模型基本兼容,并且可以很自然地解释宇宙中暗物质的比例。物理学家设计了大量实验来寻找可能存在的 WIMP,比如我国的 PandaX 实验和意大利的 XENON 实验,他们都是用液氙来寻找暗物质。暗物质如果穿过液氙,就有可能诱发液氙闪光。科学家可以根据液氙闪光的次数、频率反过来推测暗物质和氙原子相互作用的概率,这在物理上被称为碰撞截面,反映了暗物质粒子的一些基础属性。

但关键的问题是,虽然暗物质探测实验的精度越来越高,我们却仍然找不到任何一种 WIMP。甚至因为现在实验对 WIMP 碰撞截面的限制太过精确,一些经典的 WIMP 候选已经被排除了。

今年 11 月,我国 PandaX 实验和意大利 XENON 实验分别在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表论文,表示这两项实验可能已经探测到了太阳中微子背景。太阳发出的中微子同样也有碰撞截面,会对实验精度产生影响。虽然实验置信度都不高,PandaX 实验为 2.64σ,XENON 实验为 2.73σ,并未达到 5σ 的标准,但这符合研究人员的预测,他们对此充满了信心。

PandaX 和 XENON 实验可能已经观测到了太阳中微子背景(图片来源:APS/Alan Stonebraker)

但问题的关键是,科学家在找到暗物质之前先观测到了太阳的中微子背景,这表明暗物质的信号比太阳中微子还弱。如果进一步提升观测精度寻找暗物质,太阳中微子的信号又会成为显著的干扰,进一步增大暗物质的寻找难度。

所以,物理学家不得不考虑 WIMP 之外的暗物质可能。最近一段时间,各种寻找暗物质的新想法层出不穷,例如轴子、原初黑洞甚至还有抛弃暗物质的修改牛顿动力学理论(MOND)。而本文提到的原初黑洞,也是他们的想法之一。

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