寻找黑洞留给月球的“伤疤”

文/卢 旭 谢 懿

如果从上方近距离观察月球表面,我们不会发现什么特殊之处,除了那些陨击坑、布满尘土的山坡和一些古老的火山平原。幸运的话,我们还能看到登月航天员留下的足迹。如果我们把目光转移到月面之下,可能获得一些有意思的发现:那里可能潜藏着由黑洞留下的“伤疤”。
这里所说的黑洞并非一般的黑洞,而是宇宙诞生之初的遗存,被称为原初黑洞。这些理论预言的天体可以小到一个原子,也可以大到与整个太阳系相当。如果原初黑洞真的存在,天文学家或许可以通过它们解答一些最大的宇宙难题,例如:星系中心超大质量黑洞是如何形成的,太阳系边缘神秘的行星质量天体到底是什么。它们甚至还可能给暗物质研究带来突破。
然而,截至目前天文学家都未发现原初黑洞存在的任何证据。不过,有科学家提出了一个大胆的计划来改变这一现状。当原初黑洞撞击月球并从其内部穿过时,会在月球上留下陨击坑,搜寻这些陨击坑,可以为寻找原初黑洞提供线索。

解答宇宙难题
原初黑洞的概念可以追溯至20世纪70年代。当时,英国天文学家伯纳德·卡尔和理论物理学家斯蒂芬·霍金提出,在大爆炸之后的瞬间,一些区域的密度极高,会坍缩成黑洞,这就是原初黑洞。这一过程类似于今天恒星爆发后坍缩形成黑洞。
1974年,霍金提出了“霍金辐射”的概念,即黑洞会因逐渐蒸发而损失质量。这个理论预言,黑洞质量越小,其质量流失就越快,最终黑洞会在爆发中结束其一生。这也正是原初黑洞备受瞩目的原因:如果找到留存至今的原初黑洞,我们兴许可以看到它们的爆发。不过,天文学家一直没有找到证据证明原初黑洞确实存在,因此对它们的研究兴趣也就渐渐淡去。
近年来,原初黑洞研究再次兴起,因为能留存至今的大质量原初黑洞似乎可以解释天文学和宇宙学中一些棘手的问题。例如,虽然许多人相信,西伯利亚上空的陨星爆炸是著名的1908年通古斯事件的罪魁祸首,但原初黑洞撞击地球也能造成这一事件;又譬如,位于太阳系边缘的“第九行星”也许根本就不是一颗行星,而是一个原初黑洞。
最有意思的观点是,暗物质可能来源于原初黑洞。许多科学家倾其一生寻找暗物质基本粒子,但没有任何斩获。对诸如弱相互作用大质量粒子等暗物质粒子的探测迄今仍一无所获,而原初黑洞为解释暗物质提供了另一种可能。将原初黑洞作为暗物质来源的优点是,这个理论不需要引入任何新的基本粒子,它们只是宇宙极早期普通物质密度涨落的产物。
原初黑洞也可以解释盖亚卫星探测到的约20个引力透镜事件,在这些事件中,有不明天体对遥远的星光产生了弯曲作用。这些天体似乎是恒星,但又不可见,天文学家猜测它们很有可能是原初黑洞。
与此同时,通过探测黑洞并合发出的引力波,激光干涉引力波天文台出乎意料地发现了一个质量仅为太阳2.6倍的黑洞,这远远低于天文学家预估的黑洞质量的下限。如果能发现质量比太阳还小的黑洞,那它将会成为佐证原初黑洞存在的确凿证据,因为目前没有任何已知的演化过程能形成质量这么小的黑洞。

特别的陨击坑
虽然存有希望,但证据都不明确。于是有人提出,月球可以用作原初黑洞的“探测器”。
这个想法看似另类,但背后有着科学依据。如果在早期宇宙中形成了大量原初黑洞,那么其中一些有可能留存至今,遍及宇宙的各个角落,甚至还会经常性地穿过太阳系。若是如此,它们也许会撞击太阳系内的天体,例如月球,留下特定的陨击坑。
这些陨击坑的大小取决于原初黑洞的大小。搜寻原初黑洞的天文学家已经可以基本确定这些原初黑洞的质量范围。质量太小,原初黑洞早已蒸发;质量太大,通过它们对遥远恒星的引力影响即可探明。介于这两者之间的原初黑洞的质量与小行星相当,约为1亿亿~1000亿亿千克,但其半径只有一个原子那么大。
据估计,每年会有几百个这样的原初黑洞穿过太阳系,其中一些会撞上太阳系内的天体。对于诸如地球这样的能通过天气系统和地质活动重塑表面的天体,撞击留下的所有痕迹早已被抹掉;但对于月球这样没有大气的天体,撞击的痕迹可以留存长达几十亿年。
那么,这些撞击所留下的痕迹是什么样的呢?原初黑洞的运动速度可达每秒200千米,最多只要十几秒原初黑洞就能穿过直径3500千米的月球。它们会留下一条细长的熔融隧道,温度可达约10万摄氏度,如同子弹穿过棉花糖一般。这些隧道会很快冷却,在月球表面的入射口与出射口留下直径约1米的小型陨击坑。
虽然月面上有数百万个这样大小的陨击坑,但原初黑洞造成的陨击坑与其他的有着明显的区别。原初黑洞撞击产生的抛出物会在陨击坑周围延伸几米远,形成比一般陨击坑更陡的坡度。这是因为原初黑洞的密度约是月球的100万倍,并且原初黑洞可以干净利落地穿过月球,运动不会受阻,其撞击产生的抛出物的速度也会与普通撞击有所不同。
利用航天器拍摄的高分辨率月面图像,或许可以发现由原初黑洞留下的陨击坑。考虑到月面上有数百万个直径约1米的陨击坑,人工筛选无疑将非常耗时。因此,科学家打算训练计算机来完成这一工作,也许最快几年内就会有结果。

困难与希望
当然,在月球上找到原初黑洞所留下的陨击坑的概率极低。即便在最理想的情况下,假设所有原初黑洞的质量都与小行星相当,那么有一个原初黑洞撞击过月球的概率也只有10%。在实际情况下,原初黑洞的质量分布范围会更广泛,这会大幅降低它们撞上月球的概率。
问题还不止于此。新的研究认为,此前天文学家高估了小型陨击坑在月面上存留的时间。由于流星体的频繁撞击,造成月面不断被重塑,因此直径1米左右的陨击坑存在的时间可能不会超过1300万年,而非几十亿年。
这会导致识别原初黑洞的陨击坑变得更加复杂。不过,计算机模拟发现,这些陨击坑周围的抛出物和流星体撞击所形成的抛出物有明显差别,并且它们能留存更长的时间。
由于月球上陨击坑数量庞大,辨识工作会出奇地困难。找到具有各种特质的陨击坑并不难,难点在于判断它们是不是由原初黑洞造成的。要确定某个陨击坑的确是由原初黑洞造成的,还有必要进行实地考察。例如,航天员可以使用探地雷达来探测陨击坑下方的柱状混合月壤,同时对陨击坑中心的表层月壤进行采样。当原初黑洞撞击月球时,会产生异常的高温,足以使二氧化硅发生相变,这是航天员要寻找的重要线索。
如果月球上真的存在原初黑洞陨击坑,这将会对天文学研究产生两大影响:第一,这将为原初黑洞的存在提供确凿的证据。第二,这足以表明宇宙中存在大量的原初黑洞,而它们至少可以解释一部分暗物质的性质。不过,要想完全确定暗物质的来源是原初黑洞,还需要在其他地方找到原初黑洞。
如果在月球上什么也没有发现,也并不意味着搜寻就此结束。在月球上寻找原初黑洞陨击坑的技术,还可以被应用于其他没有空气或空气稀薄的天体。水星就是个很好的目标,火星、冥王星,甚至土星和木星的岩质卫星都是潜在的选择。对于每一个这类天体,发现原初黑洞陨击坑的概率为5%~23%,但总体来看概率就会升高。如果能对所有这些天体的表面开展搜寻,那么预计至少能发现一个原初黑洞留下的陨击坑。

(本文作者卢旭为南京大学天文与空间科学学院在读博士研究生,谢懿为中国科学院紫金山天文台研究员。)

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