你是否认为黑洞离我们的生活很遥远?但对于一些物理学家来说,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。
黑洞的形成
一般的黑洞是在恒星耗尽核燃料后形成的。通过这种途径产生的黑洞质量通常比太阳质量更大。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。
原初黑洞
最近一篇发表在《暗宇宙物理学》(Physics of the Dark Universe)上的本文将目光投向了另一种黑洞,原初黑洞(primordial black hole)。这种黑洞是在宇宙大爆炸时,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。
原初黑洞的引力效应
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。本文认为,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。
空心小行星
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。
本文计算发现,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。
细隧道
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。
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,反映了暗物质的性质。
经过多年的艰苦寻找,WIMP实验一直没有找到任何明确的信号。这使得物理学家不得不考虑其他候选者,原初黑洞就是其中之一。
总结
原初黑洞是一种质量很小的黑洞,它可能是宇宙大爆炸时形成的。这种黑洞虽然我们观测不到,但它可能通过引力效应影响着宇宙。物理学家认为,如果原初黑洞真的存在,我们可以在宇宙中寻找空心小行星,或在地球上的古老岩石中寻找细隧道来寻找它们的踪迹。虽然寻找原初黑洞的概率很低,但物理学家认为,这是寻找暗物质的一种可能性,值得尝试。
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