到月球上找黑洞的弹坑
到月球上找黑洞的弹坑
一类古老的黑洞也许砸穿过月球，并在月面留下至今仍然可辨认的“伤痕”。
如果你有机会登上月球，你最想找的是什么呢?我们的“玉兔二号”月球车?第一位踏上月球的宇航员阿姆斯特朗留下的脚印……换成我，我最想找的是黑洞砸穿月球可能留下的弹坑。要是被我找到了，那可是个诺贝尔奖量级的发现哦。
什么!月球上还掉下过黑洞?如果真有这回事，月球乃至我们的地球，岂不早就被黑洞吞噬了吗?
注意，我这里说的黑洞，不是超大质量黑洞，也不是恒星量级的黑洞，而是黑洞家族里的“小不点”，可能只有一个原子大小。这么小的黑洞，没法把整个月球吞下去，只能把月球砸出一条隧道，然后自己穿过去。
黑洞家族的新成员这种黑洞叫原始黑洞。
原始黑洞的想法是1970年代由霍金提出来的。那个时候，天文学家已经知道宇宙中存在两类黑洞，一类是盘踞在星系中心的超大质量黑洞，另一类是恒星到了生命的晚期，通过超新星爆发坍塌而成的恒星量级黑洞。但是霍金认为，还应该存在第三类黑洞，这类黑洞非常古老，诞生于宇宙早期。因为大爆炸之后不久，空间的物质密度是如此大，只要某个地方随着涨落(涨落是任何情况下都不可避免的)，密度变得再大一点，那里的物质就会因密度过大而坍塌成黑洞。这跟恒星在超新星爆发时，核心密度变大，一旦超越某个界限，就坍塌成黑洞是一个道理——只是这种原始黑洞没经过恒星阶段是由原始物质直接坍塌而成的。
因为物质密度的涨落幅度是随机的，可大可小，所以原始黑洞的大小范围很广，其体积可以小到一个原子，或一只篮球，大的有一座高山，甚至一颗小恒星……不过，由于涨落幅度越小，发生的概率越大，所以原始黑洞越小，数量就越多。
按理说原始黑洞数量庞大，遍布宇宙，但为什么迄今一个都没被发现呢?这是因为黑洞越小，越难探测，这是一个原因。另外，1974年霍金又提出，黑洞会随着时间的推移而蒸发(此即著名的霍金辐射);而且黑洞越小，蒸发越快。所以，自宇宙诞生以来，大多数小的原始黑洞都蒸发掉了，留下一些大的可能至今还在蒸发。
当然，也有少数幸运者，不仅没有蒸发变小，还通过吞食周围的物质，渐渐壮大起来，日后成了超大质量黑洞的种子。这可以解释超大质量黑洞的起源。因为倘若没有“种子”， 有些超大质量黑洞似乎无法在宇宙诞生至今的时间里长成现在这般大。
黑洞在蒸发到最后一刻，会以爆炸的形式结束其一生。由于黑洞蒸发是一个极其漫长的过程，我们不可能指望在有生之年看到大质量黑洞蒸发掉。但是，质量小又古老的原始黑洞，我们倒是有机会目睹它们临终的那一刻。所以，观察到黑洞的爆炸，也就证实了原始黑洞的存在。
但是，天文学家很久都没有观察到一例黑洞爆炸事件，所以一段时间以来，人们对原始黑洞的兴趣大减。
原始黑洞又成香饽饽
近几年来，原始黑洞(那些质量较大，可能存在至今的)又成了香饽饽。它被视为长期困扰天文学家的一些问题的可能答案。
例如，一些人认为，1908年发生在西伯利亚的著名通古斯爆炸事件，肇事者可能是一个原始黑洞，而不是一颗彗星。另一个想法是，设想中的太阳系第九大行星——难以捉摸的“行星九”，可能不是一颗行星，而是一个原始黑洞。此外，原始黑洞还被用来解释欧洲航天局的盖亚卫星探测到的大约20个未知天体。这些天体能将来自遥远的恒星的光线轻微弯曲，但其本身又不可见，而且根据计算，它们的质量要小于一颗普通的恒星。
也许最吸引人的想法是，神秘的暗物质可能就是这些原始黑洞。天文学家是为了解释星系中一部分失踪的质量，才提出“暗物质”这一概念的。他们原先设想，暗物质是一种全新的物质，由一种新粒子组成。但到目前为止，探测暗物质粒子的努力一直受挫。于是有人提出，如果原始黑洞能够解释星系中那部分失踪的质量，那么“暗物质”就是一个多余的假设。这样做的好处，一是你不需要任何新粒子;二是原始黑洞的来历我们是清楚的。
此外，令人鼓舞的是，近年来引力波探测技术的提高，也提高了发现较小质量黑洞的可能性。目前激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到的质量最小的黑洞，只有太阳质量的2.6倍。如果LIGO探测到比太阳质量小的黑洞，那将是原始黑洞存在的有力证据。因为我们不知道还有什么其他机制，可以制造出这么小的黑洞。
原始黑洞留下的弹坑
但是，在LIGO探测到原始黑洞之前，我们就可以“躺平”了吗?不，加拿大理论天体物理研究所的阿尔莫格·亚利内维奇和马修·卡普兰说，我们可以到月球上探测。
这是一个奇怪的想法，但道理倒不那么奇怪：如果宇宙在诞生之初产生了大量的原始黑洞，一些甚至存在至今，那么它们也许会定期穿过我们的太阳系。如果是这样的话，它们可能已经击中了太阳系的一些天体，留下明显的弹坑。
假如原始黑洞击中的是像地球这样有大气，而且地质活动活跃的天体，弹坑可能早已被抹去，但是对于像月球这样没有大气、没有地质活动的天体，即使数十亿年后，弹坑也可能依然存在。
这样的弹坑会有多大呢?这取决于原始黑洞的大小。某些质量的原始黑洞可以事先排除：太小的，现在都已经蒸发掉了;太大的呢，也可以排除，因为大质量的原始黑洞过来的话，早就把月球整个儿吞下去了。亚利内维奇和卡普兰考虑了那些处于中间的黑洞：大约是一颗小行星的质量，在10^16到10^19千克之间，但半径仅有一个原子大小。
这样一个黑洞撞击月球，会留下什么样的“疤痕”呢?他们经过计算发现，它会在月球上短暂形成一条小型的熔融隧道，温度可能达到10万K。隧道会迅速冷却，在表面只留下入口和出口，其标志是一个直径大约1米左右的小坑。
为什么一个只有原子大小的黑洞，穿过月球时却能产生直径达1米的弹坑呢?首先，这是因为“一个原子大小”指的仅是黑洞在事件视界以内的部分，但我们知道，黑洞引力的作用范围远远大于事件视界。其次，黑洞的密度是月球的100万倍，它穿过月球时，就像子弹穿过一张纸，几乎没有任何减速。这样，它与月球碰撞，溅射出来的物质会被抛得很高，因为黑洞密度高，质量大，动能就很大。你不妨做个实验：拿同体积的一个小铁球和小玻璃球，让它们从同一高度落入水中。你会发现，小铁球溅起的水花要比小玻璃球的高，这就是因为小铁球重，下落时的动能比小玻璃球的要大。所以黑洞穿过月球时溅射物覆盖面积(弹坑)将远远大于黑洞自身的截面积。
到月球找原始黑洞存在的证据
虽然月球上有数百万个直径1米左右的陨石坑，但黑洞的弹坑与陨石坑有一个明显的区别：黑洞的弹坑比陨石坑更陡峭(道理还是同前)。凭这一点，可以将它们鉴别出来。
我们可以通过搜索航天器拍摄的月球表面的高分辨率图像，来寻找黑洞弹坑。但鉴于月球表面有数以百万计的陨石坑，亚利内维奇和卡普兰计划使用人工智能来寻找。如果有幸找到一个，为了确认，可能还需要派宇航员到月球，近距离对弹坑的中心进行采样分析。
即使月球上什么也没发现，我们还可以到其他没有大气、没有地质活动的天体上去搜索，如水星、火星和冥王星，甚至是土星和木星的某些岩石质卫星。
怎么样?读完这篇文章，假如你有机会登上月球，恐怕会跟我赛着去找黑洞弹坑了吧。