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。


PandaX和XENON实验可能已经观测到了太阳中微子背景（图片来源：APS/Alan Stonebraker）

但问题的关键是，科学家在找到暗物质之前先观测到了太阳的中微子背景，这表明暗物质的信号比太阳中微子还弱。如果进一步提升观测精度寻找暗物质，太阳中微子的信号又会成为显著的干扰，进一步增大暗物质的寻找难度。

所以，物理学家不得不考虑WIMP之外的暗物质可能。最近一段时间，各种寻找暗物质的新想法层出不穷，例如轴子、原初黑洞、甚至还有抛弃暗物质的修改牛顿动力学理论（MOND）。而本文提到的原初黑洞，也是他们的想法之一。