黑洞给人的印象似乎非常遥远,但对某些物理学家来说,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。
一般来说,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通常会比太阳质量更大。如果一颗比太阳还重的黑洞穿过地球,那么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。如果说我们没有发现,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。
但最近发表在《暗宇宙物理学》(Physics of the Dark Universe)上的一篇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,因为局部密度涨落而产生的小型黑洞。它们的质量可能只相当于一颗小行星,体积则只有一颗原子大小。
我们无法观测到这样的黑洞,但它会对外产生引力作用,这也是暗物质的候选成分之一。
寻找原初黑洞
认为,如果宇宙中真的存在原初黑洞,那么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。
直径大小相当于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,而外层的岩石空壳因为是固体,凭借着自身的强度抵御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。
因此,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,那么就有可能是原初黑洞导致的空心小行星。
的研究人员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。如果一颗质量为 10^22 千克的原初黑洞穿过地球,那么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。
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,由于相对速度很高,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,都体现了物理学家寻找暗物质的迫切心情,以及他们所面临的困境。
暗物质在解释邻近星系的旋转速度和整个宇宙的演化过程方面都不可或缺。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。
直到最近几年,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,反映暗物质的性质。
直到现在,这些实验都没有发现 WIMP 的确切证据。物理学家们开始将目光转向其他候选的暗物质类型,比如原初黑洞。
发表评论