黑洞可能已经穿过了地球，只是我们一直没发现

环球科学 · 公众号 · 科学 · 2024-12-20 22:00

主要观点总结

文章讨论了原初黑洞的存在及其可能的观测证据，引出暗物质的问题。物理学家转向研究原初黑洞等暗物质的新可能性是因为无法找到传统的暗物质粒子（如大质量弱相互作用粒子）。科学家们通过在地球和小行星上寻找可能存在的原初黑洞痕迹的实验来寻找暗物质的线索。

关键观点总结

关键观点1: 文章介绍了一种新的黑洞类型——原初黑洞，它是宇宙大爆炸时局部密度涨落产生的小型黑洞，可能成为暗物质的候选成分。

原初黑洞可能存在于宇宙中，并在地球和小行星上留下痕迹。它们可能在古老岩石中形成笔直的细隧道或在空心小行星中发挥作用。

关键观点2: 科学家在寻找暗物质的过程中遇到了挑战。

传统的暗物质探测实验如PandaX和XENON实验在寻找大质量弱相互作用粒子（WIMP）时未能取得进展，迫使科学家寻找新的可能性。

关键观点3: 原初黑洞的寻找方法。

科学家提议通过在金属板上寻找直径约为1微米的隧道来寻找原初黑洞的可能证据。这种方法的依据是原初黑洞在刚性物体中留下的隧道。

关键观点4: 暗物质的重要性和挑战。

暗物质在天文学中至关重要，用于解释邻近星系的旋转速度和整个宇宙的演化过程。然而，尽管实验精度不断提高，暗物质的探测仍然面临挑战。

正文

原初黑洞示意图（图片来源：NASA）‍‍

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。

撰文｜王昱

审校｜黄雨佳

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，无奈的现状‍‍‍‍

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。