原初黑洞示意圖(圖片來源:NASA)
你是不是覺得黑洞離我們的生活很遙遠?但對一些物理學家來說,遲遲找不到的暗物質讓他們寧願相信,黑洞已經穿過了地球,只是我們沒有發現。
一般的黑洞是在恆星耗盡核燃料後形成的,經該途徑產生的黑洞質量一般都比太陽質量更大。如果一顆比太陽還重的黑洞穿過地球,不要說地球,整個太陽系的軌道都會被它攪得亂七八糟,打擊效果堪比《三體》中的「光粒」,人類不可能注意不到——如果說沒發現,那也只可能是人類文明在發現這樣的黑洞之前就已經被它摧毀了。
原初黑洞
但最近一篇發表在《暗宇宙物理學》(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,因為局部密度漲落產生的小型黑洞,這樣的黑洞質量可能只相當於一顆小行星,體積則只有一顆原子大小。我們觀測不到這樣的黑洞,但它會對外有引力作用,也是暗物質的候選成分。論文認為,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岩石中留下筆直的細隧道,我們可以通過這些現象來尋找原初黑洞。
原子大小的原初黑洞可能會被小行星捕獲,如果小行星的核心又是熔岩組成的,那麼就可能產生一種情況:小行星中心的熔岩都被核心的原初黑洞吞噬,外層的岩石空殼因為是固體,憑藉著自身的強度抵抗著引力向內坍縮的趨勢。最終,這顆小行星會變成一顆空心小行星。論文計算發現,對於宇宙中常見的物質,比如花崗岩或鐵,只要它們的大小不超過地球半徑的1/10,那麼材料的強度就可以抵抗引力的拉伸。所以,如果我們在宇宙中發現了密度很低,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致的空心小行星。
事情到這裡看起來還算常規天文學的範疇,但論文並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在宇宙中快速穿梭,如果一顆質量10²²克的原初黑洞穿過地球,那它可能會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,因為相對速度很高,反而造成的破壞很小,這樣的隧道太細了,不會對我們的身體產生什麼影響。
但如果真的觀測到這樣的細隧道,就說明原初黑洞可能真的存在。研究人員計算發現,平均來說,每10億年能在10平方米的截面積上留下0.000001個這樣的隧道。研究人員表示,這樣的概率對於尋找暗物質來說是可以接受的。或許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的可能——原初黑洞。
瘋狂的想法,無奈的現狀
不管是認為黑洞已經穿過了地球,還是認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,讓物理學家產生了這樣瘋狂的想法?其實,全都是被暗物質逼的。
在天文學家的眼中,不論是為了解釋「鄰近」星系的旋轉速度,還是為了解釋整個宇宙的演化過程,暗物質早已成了不可或缺的一環。我們無法通過電磁波觀測到這種物質,卻能幾乎在所有地方觀測到它的引力影響。所以,這種看不見,但又有引力作用的物質究竟是什麼,是物理學家最關心的問題之一。
直到最近幾年之前,物理學家還只將探索的重點集中在大質量弱相互作用粒子(Weakly interacting massive particles,WIMP)上。這是一類假想中的粒子,它們與當前粒子物理標準模型基本兼容,並且可以很自然地解釋宇宙中暗物質的比例。物理學家設計了大量實驗來尋找可能存在的WIMP,比如我國的PandaX實驗和義大利的XENON實驗,他們都是用液氙來尋找暗物質。暗物質如果穿過液氙,就有可能誘發液氙閃光。科學家可以根據液氙閃光的次數、頻率反過來推測暗物質和氙原子相互作用的概率,這在物理上被稱為碰撞截面,反映了暗物質粒子的一些基礎屬性。
但關鍵的問題是,雖然暗物質探測實驗的精度越來越高,我們卻仍然找不到任何一種WIMP。甚至因為現在實驗對WIMP碰撞截面的限制太過精確,一些經典的WIMP候選已經被排除了。
今年11月,我國PandaX實驗和義大利XENON實驗分別在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發表論文,表示這兩項實驗可能已經探測到了太陽中微子背景。太陽發出的中微子同樣也有碰撞截面,會對實驗精度產生影響。雖然實驗置信度都不高,PandaX實驗為2.64σ,XENON實驗為2.73σ,並未達到5σ的標準,但這符合研究人員的預測,他們對此充滿了信心。
PandaX和XENON實驗可能已經觀測到了太陽中微子背景(圖片來源:APS/Alan Stonebraker)
但問題的關鍵是,科學家在找到暗物質之前先觀測到了太陽的中微子背景,這表明暗物質的信號比太陽中微子還弱。如果進一步提升觀測精度尋找暗物質,太陽中微子的信號又會成為顯著的干擾,進一步增大暗物質的尋找難度。
所以,物理學家不得不考慮WIMP之外的暗物質可能。最近一段時間,各種尋找暗物質的新想法層出不窮,例如軸子、原初黑洞、甚至還有拋棄暗物質的修改牛頓動力學理論(MOND)。而本文提到的原初黑洞,也是他們的想法之一。