[비즈한국] 至今未解的謎團之一：黑洞真的永恆嗎？史蒂芬·霍金展示了一種可能性，即黑洞也會釋放粒子並緩慢蒸發。這就是“霍金輻射”。正如帶有溫度的恆星會釋放光芒一樣，黑洞也能以黑體輻射的形式釋放能量。
霍金輻射的大小取決於黑洞周圍事件視界的曲率。質量巨大的黑洞，其事件視界非常廣闊，因此時空的曲率相對較小。相反，小質量黑洞的事件視界很小，曲率彎曲程度更劇烈。因此，霍金輻射在黑洞質量大時進行得非常緩慢，但隨著黑洞不斷蒸發變輕，輻射速度會變得難以控制地快。如果黑洞變得像小行星一樣輕，它應該會在極長的時間內噴湧出令人眩目的大量光芒。
最近，天文學界發生了一件讓學者們激動不已的大事。這可能就是終於捕捉到了傳說中的霍金輻射。霍金最後的夢想，能否透過觀測得到證實？
天文學家認為，大爆炸後，宇宙各處誕生了無數的原始黑洞。早期宇宙中充斥著高密度的原始黑洞。它們相互快速碰撞並不斷增大體積，最終成為了今天銀河系中心超大質量黑洞的種子。如果我們預期的那樣，早期宇宙中存在許多輕型的原始黑洞，那麼當我們觀測遙遠的過去宇宙時，自然應該捕捉到它們噴湧出的耀眼閃光。
雖然它們現在可能都已經消失了，但這些原始黑洞曾經噴出的高能粒子必然在宇宙空間中游蕩。一些天文學家期待著那些已經脫離太陽風影響範圍、進入星際旅行的旅行者號探測器，能夠捕捉到這些原始黑洞的痕跡。然而遺憾的是，旅行者號的電池很快就會耗盡。因此，僅靠旅行者號微弱的訊號來尋找原始黑洞的痕跡是非常困難的。
然而，2023年2月13日，安裝在地中海深處的中微子探測器KM3Net檢測到了一個驚人的訊號。KM3Net的數千個光學感測器檢測到了高能中微子快速掃過水中時產生的切連科夫輻射痕跡。安裝在法國和希臘沿海水下的KM3Net目前僅安裝了部分元件，正處於建設中。全部完工後，它將填滿總體積達1立方公里的海底空間。可以將其視為水下版本的超級神岡探測器。
探測器捕獲的中微子攜帶了高達220PeV（拍電子伏特）的巨大能量！這是什麼概念呢？目前地球上最強大的粒子加速器所能產生的最強粒子能量，甚至不到這個中微子能量的萬分之一。這是一顆人類絕不可能模擬的、來自遙遠宇宙的超高能粒子！天文學家甚至抱有希望，認為這可能是大爆炸後不到1秒即誕生、並在消亡時釋放出的超早期原始黑洞的痕跡。
根據探測器感知的痕跡，天文學家推測如果該中微子的源頭確實是原始黑洞，那麼它需要有多大的質量，以及從多遠的距離飛來。結果顯示，這必須是一個僅有山體大小的原始黑洞，在僅12億公里的距離處蒸發並釋放出的中微子！這個距離大約只到土星。換句話說，這意味著一個比小行星還要小、僅有山體大小的極小原始黑洞，從大爆炸後1秒起一直存活至今，不知為何偶然進入了太陽系內部，並在最近突然消亡，釋放出了巨大的高能粒子。這雖然令人興奮，但同時也讓人懷疑。
事實上，能產生高能中微子的不僅僅是原始黑洞。例如，伽馬射線暴或超新星爆炸等其他強烈的爆炸性現象也能釋放中微子。如果這確實是原始黑洞消亡時留下的中微子，那麼不僅在黑洞消失的那一刻，在之前的幾小時內也應該持續檢測到類似水平的伽馬射線。只有在中微子被檢測前，在同一方向也捕捉到高能伽馬射線，才能證明它確實是原始黑洞。
目前地球上已經部署了許多等待中微子和伽馬射線的“獵人”。在本次研究中，天文學家對比了位於南極冰層下的水下中微子探測器IceCube、位於西藏高原附近高海拔地區觀測大氣中高能宇宙射線的LHAASO（大型高海拔空氣簇射觀測站），以及位於墨西哥海拔4100米塞拉內格拉火山腳下的HWAC（高海拔水切連科夫觀測站）的觀測結果。
然而，在這些地方都沒有捕捉到其他中微子或伽馬射線的痕跡。如果KM3Net檢測到的粒子確實是因為原始黑洞而飛來的高能中微子，那麼在黑洞消亡前的7到14小時內，LHAASO應該能捕捉到數億個伽馬射線。IceCube也應該在黑洞消亡的最後時刻檢測到至少100個以上的中微子。遺憾的是，HWAC在那個期間暫停了觀測。最終，向KM3Net傳送這股不可思議的超高能中微子的源頭身份未能查明。雖然令人沮喪，但這看起來至少不是偶然闖入太陽系內部的原始黑洞。
一些天文學家甚至懷疑，原始黑洞可能就是充斥著宇宙的暗物質，因為它們從大爆炸後就存在，且難以透過常規光學觀測發現。此外，最近透過詹姆斯·韋伯望遠鏡觀測到的宇宙邊緣、早期宇宙中持續出現的另一個謎團——“小紅點”（Little red dot），也被嘗試與原始黑洞聯絡起來。然而，目前還沒有任何發現能與我們預期的真正原始黑洞完全吻合。
有一點是肯定的，根據我們推測的宇宙演化模型，宇宙一定經歷過一個曾經大量製造原始黑洞的時期。到了今天，它們要麼體積增大變成了銀河系中心的超大質量黑洞，要麼那些未能合併的小黑洞已經快速蒸發並消失了。如果真是這樣，宇宙的某個地方肯定存在著原始黑洞消亡時留下的高能粒子，在宇宙空間中漫無目的地漂浮著。
儘管本次爭議在確切尋找並驗證原始黑洞方面以失敗告終，但它透過一種巨大的可能性給出了某種程度的慰藉。現在，我們不僅透過伽馬射線、X射線等經典的電磁波，還透過“中微子”這一全新的視角觀察宇宙。我們正在開啟一個繪製它們從何而來的地圖的“多信使觀測”時代。正如我們最終捕捉到了曾經認為絕不可能觀測到的引力波一樣，希望在天文學家不懈的努力下，總有一天能找到傳說中的原始黑洞的蹤跡。希望霍金未竟的夢想能夠實現的時刻早日到來。
參考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250524666A/abstract
作者池雄培（Ji Ung-bae）簡介：熱愛貓咪和宇宙。兒時因觀看《銀河鐵道999》而立志將宇宙的美麗傳播給世人。目前擔任世宗大學自由專業學院助理教授，從事講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《每天一片宇宙》、《星光閃耀的宇宙科學家們》、《無法到達卻可以瞭解》、《看向宇宙時浮現的奇怪問題》等書籍，並翻譯了《給真正宇宙旅行者的搭車指南》、《我是如何殺掉冥王星的》、《量子人生》、《Cosmographic》等作品。