黑洞可能已經(jīng)穿過了地球，只是我們一直沒發(fā)現(xiàn)
你是不是覺得黑洞離我們的生活很遙遠(yuǎn)？但對(duì)一些物理學(xué)家來說，遲遲找不到的暗物質(zhì)讓他們寧愿相信，黑洞已經(jīng)穿過了地球，只是我們沒有發(fā)現(xiàn)。
一般的黑洞是在恒星耗盡核燃料后形成的，經(jīng)該途徑產(chǎn)生的黑洞質(zhì)量一般都比太陽質(zhì)量更大。如果一顆比太陽還重的黑洞穿過地球，不要說地球，整個(gè)太陽系的軌道都會(huì)被它攪得亂七八糟，打擊效果堪比《三體》中的“光?！?，人類不可能注意不到——如果說沒發(fā)現(xiàn)，那也只可能是人類文明在發(fā)現(xiàn)這樣的黑洞之前就已經(jīng)被它摧毀了。
原初黑洞
但最近一篇發(fā)表在《暗宇宙物理學(xué)》（Physics of the Dark Universe）上的論文將目光投向了另一種黑洞，原初黑洞（primordial black hole）。這種黑洞是宇宙大爆炸時(shí)，因?yàn)榫植棵芏葷q落產(chǎn)生的小型黑洞，這樣的黑洞質(zhì)量可能只相當(dāng)于一顆小行星，體積則只有一顆原子大小。我們觀測(cè)不到這樣的黑洞，但它會(huì)對(duì)外有引力作用，也是暗物質(zhì)的候選成分。
論文認(rèn)為，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巖石中留下筆直的細(xì)隧道，我們可以通過這些現(xiàn)象來尋找原初黑洞。
原子大小的原初黑洞可能會(huì)被小行星捕獲，如果小行星的核心又是熔巖組成的，那么就可能產(chǎn)生一種情況：小行星中心的熔巖都被核心的原初黑洞吞噬，外層的巖石空殼因?yàn)槭枪腆w，憑借著自身的強(qiáng)度抵抗著引力向內(nèi)坍縮的趨勢(shì)。最終，這顆小行星會(huì)變成一顆空心小行星。論文計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于宇宙中常見的物質(zhì)，比如花崗巖或鐵，只要它們的大小不超過地球半徑的 1/10，那么材料的強(qiáng)度就可以抵抗引力的拉伸。所以，如果我們?cè)谟钪嬷邪l(fā)現(xiàn)了密度很低，大小不超過地球半徑 1/10 的小行星，就有可能是原初黑洞導(dǎo)致的空心小行星。
事情到這里看起來還算常規(guī)天文學(xué)的范疇，但論文并不滿足在太空中尋找原初黑洞，他們甚至想在地球上尋找原初黑洞的痕跡。
原初黑洞很有可能會(huì)在宇宙中快速穿梭，如果一顆質(zhì)量 1022 克的原初黑洞穿過地球，那它可能會(huì)在剛性物體中留下一條直徑大約 0.1 微米的隧道。不用怕，這樣的原初黑洞穿過人體的概率非常低，就算它真的穿過人體，因?yàn)橄鄬?duì)速度很高，反而造成的破壞很小，這樣的隧道太細(xì)了，不會(huì)對(duì)我們的身體產(chǎn)生什么影響。
但如果真的觀測(cè)到這樣的細(xì)隧道，就說明原初黑洞可能真的存在。研究人員計(jì)算發(fā)現(xiàn)，平均來說，每 10 億年能在 10 平方米的截面積上留下 0.000001 個(gè)這樣的隧道。研究人員表示，這樣的概率對(duì)于尋找暗物質(zhì)來說是可以接受的?；蛟S我們可以放置一些大面積的金屬板，用顯微鏡在上面找直徑 1 微米左右的隧道，用這種方式來尋找暗物質(zhì)的可能——原初黑洞。
瘋狂的想法，無奈的現(xiàn)實(shí)
不管是認(rèn)為黑洞已經(jīng)穿過了地球，還是認(rèn)為這樣低的概率可以接受。究竟是人性的扭曲，還是道德的淪喪，讓物理學(xué)家產(chǎn)生了這樣瘋狂的想法？其實(shí)，全都是被暗物質(zhì)逼的。
在天文學(xué)家的眼中，不論是為了解釋“鄰近”星系的旋轉(zhuǎn)速度，還是為了解釋整個(gè)宇宙的演化過程，暗物質(zhì)早已成了不可或缺的一環(huán)。我們無法通過電磁波觀測(cè)到這種物質(zhì)，卻能幾乎在所有地方觀測(cè)到它的引力影響。所以，這種看不見，但又有引力作用的物質(zhì)究竟是什么，是物理學(xué)家最關(guān)心的問題之一。
直到最近幾年之前，物理學(xué)家還只將探索的重點(diǎn)集中在大質(zhì)量弱相互作用粒子（Weakly interacting massive particles，WIMP）上。這是一類假想中的粒子，它們與當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型基本兼容，并且可以很自然地解釋宇宙中暗物質(zhì)的比例。物理學(xué)家設(shè)計(jì)了大量實(shí)驗(yàn)來尋找可能存在的 WIMP，比如我國(guó)的 PandaX 實(shí)驗(yàn)和意大利的 XENON 實(shí)驗(yàn)，他們都是用液氙來尋找暗物質(zhì)。暗物質(zhì)如果穿過液氙，就有可能誘發(fā)液氙閃光?？茖W(xué)家可以根據(jù)液氙閃光的次數(shù)、頻率反過來推測(cè)暗物質(zhì)和氙原子相互作用的概率，這在物理上被稱為碰撞截面，反映了暗物質(zhì)粒子的一些基礎(chǔ)屬性。
但關(guān)鍵的問題是，雖然暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的精度越來越高，我們卻仍然找不到任何一種 WIMP。甚至因?yàn)楝F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)對(duì) WIMP 碰撞截面的限制太過精確，一些經(jīng)典的 WIMP 候選已經(jīng)被排除了。
今年 11 月，我國(guó) PandaX 實(shí)驗(yàn)和意大利 XENON 實(shí)驗(yàn)分別在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表論文，表示這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可能已經(jīng)探測(cè)到了太陽中微子背景。太陽發(fā)出的中微子同樣也有碰撞截面，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)精度產(chǎn)生影響。雖然實(shí)驗(yàn)置信度都不高，PandaX 實(shí)驗(yàn)為 2.64σ，XENON 實(shí)驗(yàn)為 2.73σ，并未達(dá)到 5σ 的標(biāo)準(zhǔn)，但這符合研究人員的預(yù)測(cè)，他們對(duì)此充滿了信心。
但問題的關(guān)鍵是，科學(xué)家在找到暗物質(zhì)之前先觀測(cè)到了太陽的中微子背景，這表明暗物質(zhì)的信號(hào)比太陽中微子還弱。如果進(jìn)一步提升觀測(cè)精度尋找暗物質(zhì)，太陽中微子的信號(hào)又會(huì)成為顯著的干擾，進(jìn)一步增大暗物質(zhì)的尋找難度。
所以，物理學(xué)家不得不考慮 WIMP 之外的暗物質(zhì)可能。最近一段時(shí)間，各種尋找暗物質(zhì)的新想法層出不窮，例如軸子、原初黑洞甚至還有拋棄暗物質(zhì)的修改牛頓動(dòng)力學(xué)理論（MOND）。而本文提到的原初黑洞，也是他們的想法之一。
來源：科普中國(guó)
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