惊人发现！太阳内部可能隐藏着大爆炸后形成的微型黑洞

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惊人发现！太阳内部可能隐藏着大爆炸后形成的微型黑洞

太阳系里可能充满了微小的原初黑洞，一些甚至可以存在于太阳内部。而且，原初黑洞围绕太阳运行的轨迹有时会如同繁花般绚丽。

文 | 陈强

视觉设计 | 李梅

原初黑洞（primordial black hole，也叫做太初黑洞，是一种假想的黑洞类型。这类黑洞不是由大质量恒星的引力坍缩形成的，而是由早期宇宙中超高密度物质直接坍缩形成的。

理论上，原初黑洞的质量范围可以从接近普朗克质量（约为 22 微克）一直到太阳质量的几十万倍。不过，科学家预测只有质量大于 10^12 千克（略高于一座大城市所有建筑物的总质量）的原初黑洞才能存活到今天，因为更小的黑洞都已经蒸发殆尽了。

尽管目前尚未发现原初黑洞存在的直接证据，但一些科学家认为，暗物质可能就是由质量较小的原初黑洞构成的。

然而，跟其他类型的黑洞一样，原初黑洞不发光，因此很难被探测到。而且，质量较小的原初黑洞，其尺寸会非常非常小。例如，质量与谷神星相当的原初黑洞可能只有大肠杆菌那么大，而最轻的原初黑洞可能只有几个原子核大小。

如果原初黑洞构成了所有暗物质，那么它们应该会遍布宇宙的每个角落。这就意味着，我们的太阳系应该到处都有这种微小的黑洞。

01  原初黑洞进入太阳内部会发生什么？

那么，问题就来了：如果把一个原初黑洞扔进太阳内，会发生什么？德国马克斯·普朗克天体物理研究所的物理学家厄尔·贝林格（Earl Bellinger）和其同事对此进行了研究。

他们发现，如果原初黑洞的质量不超过太阳质量的 100 万分之一，那么它可以一直待在太阳内部，而不会对太阳现有结构产生重大影响。在太阳内部，原初黑洞会吞噬附近的太阳等离子体，增加自身的质量并加速周围物质的对流。然而，这种原初黑洞如此之小，其吸积产生的光度比太阳核聚变产生的光度要小得多，以至于太阳的影响几乎可以忽略。

当太阳停止燃烧氢时，它就会离开主序星阶段进入红巨星阶段。如果太阳内部存在原初黑洞，那么这种转变则是由原初黑洞吸积太阳物质引发的。

原初黑洞吞噬足够物质后，会导致太阳的膨胀和冷却，并最终停止氢聚变。此时，太阳会逐渐膨胀成一颗红巨星，但膨胀的尺度会比正常情况下要小得多。例如，原初黑洞如果是 10～11 个太阳质量，那么太阳的膨胀将停止在地球和太阳之间平均距离的 3% 处。然而，那时地球的气温将会超过 250℃ ，使其海洋沸腾。

太阳会以“亚巨星”的形式存在数十亿年的时间。最终，太阳会变为一颗黑洞，而不是白矮星。需要指出的是，这仅适用于质量在特定范围的原初黑洞。质量更小的原初黑洞对太阳的演化没有影响，而质量更大的原初黑洞会更快地吞噬掉太阳。

02  原初黑洞如何在太阳内运动？

另一个问题是，有着一定初始速度的原初黑洞将如何在太阳内部运行？美国麻省理工学院的大卫·凯泽（David Kaiser）及其同事对此进行了研究。

事实上，原初黑洞穿越太阳时，涉及到宇宙学、恒星演化、粒子物理学等多个科学领域。因此，科学家在分析此问题时，进行了一些简化处理。他们忽略了引力辐射、动力摩擦、流体拖曳、差动旋转的和广义相对论效等的影响。因为在模拟中，黑洞的运动周期通常只有几个小时，而前面这些效应在这段时间内还不会变得过于显著。事实上，运动过程中起主要作用的是恒星与原初黑洞之间的引力。

研究表明，这些黑洞的轨道可能划出各种各样的图案，从简单的圆形到更复杂如繁花般的图案。黑洞的轨道形状以及轨道是闭合的还是开放的，取决于初始条件。

例如，将原初黑洞放置在恒星内部并设置初始速度为 490 千米/秒，就会得到一个看起来很正常的闭合轨道，就像下图所示的那样。


图片来源：Vitorio A. De Lorenci, David I. Kaiser & Patrick Peter

如果黑洞的初始速度降为 440 千米/秒，那么就会产生一个开放轨道，原初黑洞将永远不会回到相同的位置，而是会像下图那样运动下去。


图片来源：Vitorio A. De Lorenci, David I. Kaiser & Patrick Peter

将黑洞最初放置在恒星外部，并设置初始速度为 70 千米/秒，就会产生一个复杂的“三瓣花”轨道，它会周期性地进出恒星，如下图所示。


图片来源：Vitorio A. De Lorenci, David I. Kaiser & Patrick Peter

然而，仅将速度降低 1 千米/秒就会使它永远无法返回到初始位置，形成如下图所示的轨道。


图片来源：Vitorio A. De Lorenci, David I. Kaiser & Patrick Peter

下面是其他情况下黑洞可能形成的轨道形状。


图片来源：Vitorio A. De Lorenci, David I. Kaiser & Patrick Peter

当然，这些是科学家经过简化后得到的模拟结果。对于质量相当于火卫二或更小的黑洞，经过一万亿年（这比宇宙的年龄还要长）后，动力摩擦的影响才会显现。但对于质量类似谷神星的黑洞，动力摩擦的影响只需一百万年左右就会显现。

遗憾的是，我们永远无法直接观测到太阳内部的原始黑洞。但是，如果原始黑洞潜伏在太阳系的其他地方，我们或许能够通过观测它们对周围天体产生的微妙扰动来找到它们。

参考文献：

https://arxiv.org/abs/2312.06782

https://arxiv.org/abs/2405.08113

原创 深空之门 深空之门 2024 年 06 月 06 日 17:33 北京