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一枚比头发丝还细的黑洞,如何杀死一个人?

时间: 2021年06月08日 | 作者: Abraham Loeb | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
当一个质量相当于月球千分之一,事件视界的直径不到1微米的原初黑洞穿过你的身体,后果可不是一个小伤口那么简单:这枚微型黑洞的巨大引力可以让你瞬间死亡。


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黑洞示意图(图片来源:NASA/ESA and G. Bacon)


撰文 | 亚伯拉罕·洛布(Abraham Loeb)

翻译 | 洪艺瑞

审校 | 吴非


有科学家认为,在宇宙诞生之初,宇宙视界尺度上的辐射密度显著提升,一些密度极高的区域可能发生引力坍缩,最终坍塌形成黑洞。


但我们实际观测到的宇宙微波背景辐射的强度变化,一般仅为形成黑洞所需要的变化的十万分之一。目前,这种辐射强度的变化只能在较大的空间尺度内被观测到。而在很小的尺度下,由于更高能的新物理的存在,可以发生更大幅度的强度变化。尽管现有的宇宙学数据仅仅表明这种现象存在理论上的可能性,但暗物质的存在让我们有额外的理由去认真考虑这种假说。


宇宙中的物质主要为暗物质。尽管多年来,科学家一直尝试在宇宙中或实验室里捕捉暗物质粒子的踪影,但是目前这方面仍然毫无进展。而原初黑洞(Primordial black holes, PBHs)或许就是一种暗物质候选粒子。天体物理学研究表明,质量太高或者太低的原初黑洞都不可能是暗物质,但如果它的质量介于月球质量的十亿分之一到千分之一之间,或者说与一颗直径为1~100千米的小行星的质量相当,那么它就有可能是暗物质。


6600万年前,也正是这样一颗小行星撞击地球,让(非鸟类)恐龙和地球上近3/4的其他物种走向灭绝。这是一次发人深省的生物大灭绝事件,它提醒着我们即便是遥不可及的天空,也可能是灾难的源头。为了防止此类事件再次发生,我们可以通过搜寻由小行星表面反射的日光,来探测可能到达地球的小行星。2005年,美国国会就曾要求美国航空航天局找出90%的直径超过140米,可能对地球造成威胁的天体,而当时造成恐龙灭绝的希克苏鲁伯小行星的直径约为10千米。


在这一目标的指引下,“泛星计划”(Pan STARRS)天文望远镜和薇拉·鲁宾天文台(Vera C. Rubin Observatory)陆续建成。这些望远镜利用太阳帮助我们探索不可见的黑暗地带,它们可以完成美国国会所要求的2/3的指标。如果能够提前检测到朝地球飞来的小行星,那么我们就有机会让它们偏转方向。但不同于这些小行星,原初黑洞不反射日光,所以我们无法用这种方法进行探测。它们的确会发出微弱的霍金辐射,但是对于一个质量为月球百万分之一以上的天体来说,它们的亮度却比0.1瓦特的迷你灯泡还要微弱。这种不可见性,是我们担忧的原因之一。


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薇拉·鲁宾天文台(图片来源:Rubin Obs./NSF/AURA)


但更值得思考的或许是:这些由暗物质构成的原初黑洞,是否会对人类构成威胁?假如原初黑洞与人类身体接触,那么这将代表着早期宇宙和近期宇宙的一次伟大会晤:宇宙大爆炸后1飞秒(10-15秒)内产生的不可见物质与138亿年后才会产生的智能生命完成了邂逅。尽管如此,你也不会希望这场“会面”发生在自己身上。


让我来解释为什么。我将主要针对在允许范围内质量较大的原初黑洞进行说明,也就是那些质量为月球千分之一的黑洞。质量更小的原初黑洞虽然更加普遍,但是它们产生的影响也更弱。质量为月球千分之一的原初黑洞的视界,仅仅是原子直径的大约1000倍。


有人可能会想,这样一个小物体穿过身体,引起的损伤微乎其微。对于宇宙线等高能粒子来说的确如此,但对于原初黑洞来说,情况则完全不同。在原初黑洞强大引力的作用下,我们的身体会在它穿过时瞬间坍塌成几厘米。参照银河系中暗物质晕的速度,一个典型的原初黑洞的运动速度约为每秒100千米,它所产生的强大引力将在10微秒内持续拉扯我们的身体。这枚原初黑洞所造成的痛觉,就像是一个拥有超强吸力的微型吸尘器迅速穿过我们的身体,导致我们的肌肉、骨骼、血管和内脏迅速收缩。这种扭曲程度是人类完全无法承受的,并且会立即引发死亡。


那么,我们遭遇这种惨烈事故的概率有多大呢?一个粗略的计算或许可以让你松一口气。如果上述质量的原初黑洞由暗物质构成,那么在我们的一生中,与原初黑洞相遇的概率大约为1/1026。也就是说,在地球上现居的80亿人中,其中一个人与黑洞相撞的概率大约为1/1016。如果10亿年后人口仍然保持在现在的水平,那么从现在到那时之间,有人与黑洞相撞的概率约为1/109。而在此之后,太阳将蒸干地球上所有的海洋,地球也将变得不再宜居。


即使我们把其他星系中的行星也考虑在内,那么在整个可观测的宇宙范围内,最多约有1万亿“人”会因与原初黑洞相撞而死亡。因此,我们大可放心地假设,我们中没有人会遭受这种灭顶之灾。在多重宇宙中,考虑的范围更广,并且如果存在更加危险的其他形式的暗物质,那死亡人数或许会更多。


但是,那些处于太阳系边缘,罕见且不可见的天体也可能是原初黑洞,比如假想中的第九行星。在最近的一篇文章中,我和我的学生阿米尔·西拉杰(Amir Siraj)提出,通过薇拉·鲁宾天文台观测原初黑洞与奥尔特云中的岩石撞击时产生的耀斑,我们可以探测到整个太阳系中的原初黑洞。


显然,人类遭遇其他灾难(例如小行星撞击)的风险要比与原初黑洞相撞的概率高得多。在这一点上,恐龙应该深有体会。上述数据表明,我们无需为了原初黑洞在夜里辗转难眠,也不必特地升级我们的医疗保险。身处新冠疫情和气候变化两大危机之中,这算得上是自然母亲传递给我们的好消息,我们应该对此感到高兴。


关于作者:

亚伯拉罕·洛布是哈佛大学天文学系前主任,哈佛和史密森天体物理中心理论与计算研究所所长。


原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/death-by-primordial-black-hole/


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