[비즈한국] 至今未解的谜团之一：黑洞真的永恒吗？史蒂芬·霍金展示了一种可能性，即黑洞也会释放粒子并缓慢蒸发。这就是“霍金辐射”。正如带有温度的恒星会释放光芒一样，黑洞也能以黑体辐射的形式释放能量。
霍金辐射的大小取决于黑洞周围事件视界的曲率。质量巨大的黑洞，其事件视界非常广阔，因此时空的曲率相对较小。相反，小质量黑洞的事件视界很小，曲率弯曲程度更剧烈。因此，霍金辐射在黑洞质量大时进行得非常缓慢，但随着黑洞不断蒸发变轻，辐射速度会变得难以控制地快。如果黑洞变得像小行星一样轻，它应该会在极长的时间内喷涌出令人眩目的大量光芒。
最近，天文学界发生了一件让学者们激动不已的大事。这可能就是终于捕捉到了传说中的霍金辐射。霍金最后的梦想，能否通过观测得到证实？
天文学家认为，大爆炸后，宇宙各处诞生了无数的原始黑洞。早期宇宙中充斥着高密度的原始黑洞。它们相互快速碰撞并不断增大体积，最终成为了今天银河系中心超大质量黑洞的种子。如果我们预期的那样，早期宇宙中存在许多轻型的原始黑洞，那么当我们观测遥远的过去宇宙时，自然应该捕捉到它们喷涌出的耀眼闪光。
虽然它们现在可能都已经消失了，但这些原始黑洞曾经喷出的高能粒子必然在宇宙空间中游荡。一些天文学家期待着那些已经脱离太阳风影响范围、进入星际旅行的旅行者号探测器，能够捕捉到这些原始黑洞的痕迹。然而遗憾的是，旅行者号的电池很快就会耗尽。因此，仅靠旅行者号微弱的信号来寻找原始黑洞的痕迹是非常困难的。
然而，2023年2月13日，安装在地中海深处的中微子探测器KM3Net检测到了一个惊人的信号。KM3Net的数千个光学传感器检测到了高能中微子快速扫过水中时产生的切连科夫辐射痕迹。安装在法国和希腊沿海水下的KM3Net目前仅安装了部分组件，正处于建设中。全部完工后，它将填满总体积达1立方公里的海底空间。可以将其视为水下版本的超级神冈探测器。
探测器捕获的中微子携带了高达220PeV（拍电子伏特）的巨大能量！这是什么概念呢？目前地球上最强大的粒子加速器所能产生的最强粒子能量，甚至不到这个中微子能量的万分之一。这是一颗人类绝不可能模拟的、来自遥远宇宙的超高能粒子！天文学家甚至抱有希望，认为这可能是大爆炸后不到1秒即诞生、并在消亡时释放出的超早期原始黑洞的痕迹。
根据探测器感知的痕迹，天文学家推测如果该中微子的源头确实是原始黑洞，那么它需要有多大的质量，以及从多远的距离飞来。结果显示，这必须是一个仅有山体大小的原始黑洞，在仅12亿公里的距离处蒸发并释放出的中微子！这个距离大约只到土星。换句话说，这意味着一个比小行星还要小、仅有山体大小的极小原始黑洞，从大爆炸后1秒起一直存活至今，不知为何偶然进入了太阳系内部，并在最近突然消亡，释放出了巨大的高能粒子。这虽然令人兴奋，但同时也让人怀疑。
事实上，能产生高能中微子的不仅仅是原始黑洞。例如，伽马射线暴或超新星爆炸等其他强烈的爆炸性现象也能释放中微子。如果这确实是原始黑洞消亡时留下的中微子，那么不仅在黑洞消失的那一刻，在之前的几小时内也应该持续检测到类似水平的伽马射线。只有在中微子被检测前，在同一方向也捕捉到高能伽马射线，才能证明它确实是原始黑洞。
目前地球上已经部署了许多等待中微子和伽马射线的“猎人”。在本次研究中，天文学家对比了位于南极冰层下的水下中微子探测器IceCube、位于西藏高原附近高海拔地区观测大气中高能宇宙射线的LHAASO（大型高海拔空气簇射观测站），以及位于墨西哥海拔4100米塞拉内格拉火山脚下的HWAC（高海拔水切连科夫观测站）的观测结果。
然而，在这些地方都没有捕捉到其他中微子或伽马射线的痕迹。如果KM3Net检测到的粒子确实是因为原始黑洞而飞来的高能中微子，那么在黑洞消亡前的7到14小时内，LHAASO应该能捕捉到数亿个伽马射线。IceCube也应该在黑洞消亡的最后时刻检测到至少100个以上的中微子。遗憾的是，HWAC在那个期间暂停了观测。最终，向KM3Net发送这股不可思议的超高能中微子的源头身份未能查明。虽然令人沮丧，但这看起来至少不是偶然闯入太阳系内部的原始黑洞。
一些天文学家甚至怀疑，原始黑洞可能就是充斥着宇宙的暗物质，因为它们从大爆炸后就存在，且难以通过常规光学观测发现。此外，最近通过詹姆斯·韦伯望远镜观测到的宇宙边缘、早期宇宙中持续出现的另一个谜团——“小红点”（Little red dot），也被尝试与原始黑洞联系起来。然而，目前还没有任何发现能与我们预期的真正原始黑洞完全吻合。
有一点是肯定的，根据我们推测的宇宙演化模型，宇宙一定经历过一个曾经大量制造原始黑洞的时期。到了今天，它们要么体积增大变成了银河系中心的超大质量黑洞，要么那些未能合并的小黑洞已经快速蒸发并消失了。如果真是这样，宇宙的某个地方肯定存在着原始黑洞消亡时留下的高能粒子，在宇宙空间中漫无目的地漂浮着。
尽管本次争议在确切寻找并验证原始黑洞方面以失败告终，但它通过一种巨大的可能性给出了某种程度的慰藉。现在，我们不仅通过伽马射线、X射线等经典的电磁波，还通过“中微子”这一全新的视角观察宇宙。我们正在开启一个绘制它们从何而来的地图的“多信使观测”时代。正如我们最终捕捉到了曾经认为绝不可能观测到的引力波一样，希望在天文学家不懈的努力下，总有一天能找到传说中的原始黑洞的踪迹。希望霍金未竟的梦想能够实现的时刻早日到来。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250524666A/abstract
作者池雄培（Ji Ung-bae）简介：热爱猫咪和宇宙。儿时因观看《银河铁道999》而立志将宇宙的美丽传播给世人。目前担任世宗大学自由专业学院助理教授，从事讲座、写作等多种科学传播活动。著有《每天一片宇宙》、《星光闪耀的宇宙科学家们》、《无法到达却可以了解》、《看向宇宙时浮现的奇怪问题》等书籍，并翻译了《给真正宇宙旅行者的搭车指南》、《我是如何杀掉冥王星的》、《量子人生》、《Cosmographic》等作品。