【深度認識】微型黑洞

你有沒有曾經想像過：如果宇宙裡存在一個比一粒沙還要細小，卻能吞噬整個地球的天體，會是怎樣的景象？微型黑洞（Primordial Black Hole / Mini Black Hole）正是這樣一種極其神秘、科學家仍在追尋的“宇宙怪獸”。雖然我們肉眼絕對看不到它們，但在現代天文學與科學普及之間，微型黑洞卻逐漸由理論閒談變成了數據、方程式以至於宇宙奧秘研究的重要主角。今次就讓我帶大家，這一趟「日日在我們身邊經過，你都未必發覺」的天文旅程，一起深入了解微型黑洞的來龍去脈！

什麼是微型黑洞？

在大家熟悉的天文學中，黑洞（Black Hole）通常是指恆星死亡後塌陷形成的「超重力牢籠」，甚至像中子星、白矮星都是天體生命週期的代表。但微型黑洞與這些巨大黑洞不同，它們不是由恆星演化產生，而是在宇宙大爆炸（Big Bang）初期，由極高密度區域因猛烈壓縮而產生的。其規模細小到超乎想像——有其理論認為，最細小的微型黑洞可能只大得過原子一點（半徑稀微至10^-18米），而最大的不會超過一座山的質量。

簡單來說，微型黑洞就是一種「小到你以為它不存在，重到你無法忽略」的宇宙生靈。它們的誕生並不需要像恆星黑洞那樣的恒星塌陷，而是宇宙開端時期物質波動的直接產物。因此又有人稱之為“原初黑洞”或“原始黑洞”（Primordial Black Holes）。

微型黑洞的基本參數

體積（Volume）：極小，半徑可低至約10^-18米（遠小於原子核），也有較大的可達數公里，但大部分遠比恆星黑洞細得多。
質量（Mass）：由一顆小行星至一座不高的山（約10¹¹公斤至10²³公斤）都有機會，只遠低於地球（地球為5.97×10²⁴公斤）、太陽（太陽為2×10³⁰公斤）。
溫度（Temperature）：溫度極高，與其質量成反比。質量愈輕，溫度愈高，甚至可達10¹¹K（即超越太陽核心數萬倍）。
成分（Composition）：理論上為純重力場，無固定的成份結構（不像地球有地殼、地幔），只是一個重力奇點（Singularity）及其外圍的事件視界（Event Horizon）。
距離地球（Distance from Earth）：理論上可能分布於本星系甚至太陽系附近。科學家至今未有直接證據證明微型黑洞存在於太陽系策略位置。
自轉公轉時間（Rotation/Orbit Period）：如果微型黑洞有旋轉（自轉），可近光速水平。但由於其尺度極小，無法像行星一樣描述公轉週期，除非有確定它環繞某天體運行。
歷史（History）：按照宇宙大爆炸學說，約138億年前產生。大部分隨陰影蒸發（Hawking Radiation）已消失，部分理論認為仍有極小數量存活。

微型黑洞與太陽、地球的異同

微型黑洞雖然被冠以「黑洞」之名，但它與我們最熟悉的地球、太陽有著天淵之別。地球的半徑約6,371公里（體積：1.08×10¹²公里³），太陽更大，半徑約696,340公里（體積：1.41×10¹⁸公里³）。

相比之下，微型黑洞的體積大約只有電子的千分之一甚至更小，但其質量卻可以比一座山還重——這就好像一隻小螞蟻，有能力把一架巴士扛起來一樣神奇！

在溫度方面，太陽表面溫度大約只有5,500℃，而微型黑洞可以熱到10¹¹度——這種能量等同於強大伽馬射線爆發（Gamma Ray Burst），即使一粒微型黑洞帶來的能量釋放，可能一眨眼就能毀滅整個地球，對比之下，不難明白為何微型黑洞如此引人關注。

微型黑洞的形成：大爆炸的副產品

大部份我們認識的黑洞都來源自恆星爆炸（Supernova）後的重大坍塌。但微型黑洞卻與眾不同——它們是早於恒星和星系形成時，由宇宙初生的「能量漲落」所導致。根據理論，宇宙誕生伊始，物質和能量的膠著（Quantum Fluctuation），令部分區域密度過高，產生自身引力塌陷而形成微型黑洞。

這一現象並非我們平時熬糖或下雨那麼簡單可見，而是宇宙規模下的劇烈物理過程。這就是為什麼微型黑洞在整個宇宙歷史中有著不可忽略的角色：它們或許記載了大爆炸早期的真實狀況，甚至有可能影響星系形成及宇宙的演變模式。

微型黑洞會吞噬地球嗎？

很多人第一時間聽到“黑洞”，總想像成一個擁有吞天覆地的「宇宙吸塵機」，只要不小心碰上一下，無論太陽、地球還是身邊的小狗都會被捲走。現實則遠非如此可怕。首先，根據不同理論，大部分微型黑洞誕生後會很快透過霍金輻射（Hawking Radiation）消失，只有那些體積較大的才有機會長期存在；其次，萬一有微型黑洞在地球附近和平經過，吸力範圍（Schwarzschild Radius，史瓦西半徑）極微，根本無法吞噬大型天體。

正如磁石能吸鐵釘，但未必吸你家的雪櫃。一個微型黑洞雖然有驚人質量，但吸引範圍非常有限。假設它的質量相當於一座山，唯其半徑只有10^-18米左右，肉眼不可見，進入地球大氣層亦難以留下痕跡。除非直接通過地球中心，才會留下些許能量釋放（仍極難偵測）。

微型黑洞與現代物理學

微型黑洞的迷人之處，在於它是交錯於「廣義相對論」（General Relativity）與「量子力學」（Quantum Mechanics）兩大支柱理論之間的橋樑。根據霍金在1974年提出的理論，一個黑洞其實會透過量子隧穿效應“蒸發”——這即是所謂霍金輻射。換言之，黑洞並非永遠黑暗無光，而是會慢慢損失質量，最後「爆炸」釋放巨量能量。

微型黑洞正因體積細小、質量相對較低，蒸發速度比大黑洞快。理論上，如果一顆微型黑洞還存留至今，就應該會在現今宇宙中釋放出強烈的伽馬射線—這也是現代科學檢測微型黑洞存在的途徑之一。

微型黑洞是暗物質的候選者？

你或許曾聽過「暗物質」（Dark Matter）。科學家至今發現，宇宙有絕大部份物質無法被直接觀測，只能透過引力效應間接推斷。微型黑洞長期以來都被認為是暗物質的潛在候選者；如果在宇宙早期產生大量微型黑洞，堆積起來的總質量可解釋星系旋轉的各種異常現象。然而，近年透過望遠鏡、重力透鏡等方法，科學家發現微型黑洞在暗物質中所佔比例應該不算多，但有可能還是部分暗物質的組成。

如何尋找微型黑洞的蹤影？

既然微型黑洞肉眼看不見，如何證明這種天體存在？現代天文學家主要有以下幾種手段：

伽馬射線暴：如果有古老微型黑洞蒸發，理論上會產生瞬間爆發的伽馬射線信號。
重力透鏡（Gravitational Lensing）：所有有質量天體都會彎曲光線路徑，微型黑洞經過恆星或星系前方時，肉眼雖看不到，但可能短暫引致背景星體亮度變化。
宇宙高能粒子：從黑洞蒸發綫中，可能產生大量高能中微子或射線粒子，可以由高靈敏度天文儀器追蹤。

現時尚未有直接證據證明微型黑洞確實存在，但隨著科技發展，例如「大型強子對撞機」（Large Hadron Collider, LHC）甚至有理論指其碰撞能量應可短暫產生微型黑洞，這也成為物理學界熱門話題。