太陽系中還隱藏著一個(gè)黑洞？

斯圖爾特·克拉克

現(xiàn)在我們所知道的是，在太陽系邊緣可能隱藏著一個(gè)天體，但無法通過已有的天文觀測(cè)來判斷它到底是什么。如果不是行星，那會(huì)是什么呢？一種猜測(cè)是，它可能是誕生于宇宙大爆炸的原初黑洞。如果這個(gè)猜測(cè)是正確的，那將是一個(gè)轟動(dòng)的發(fā)現(xiàn)。原初黑洞將為我們打開一扇了解早期宇宙的新窗口，這些都是天文學(xué)家一直在宇宙中搜尋原初黑洞的原因。不過，沒有人想過，這種黑洞遠(yuǎn)在天邊，也可能近在眼前。

原初黑洞的可能性

黑洞誕生于大質(zhì)量恒星死亡時(shí)的劇烈爆炸，離地球最近的約在1 000 光年之外。它們的質(zhì)量為5～15 個(gè)太陽質(zhì)量，這也是天文學(xué)家認(rèn)為激光干涉引力波天文臺(tái)會(huì)探測(cè)到的黑洞。但是，天文學(xué)家在2015 年探測(cè)到了一起黑洞并合事件，其中兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別約為太陽的35 倍和30 倍。后續(xù)又探測(cè)到更多無法解釋的大質(zhì)量黑洞。引力波事件GW190814 中的兩個(gè)黑洞，一個(gè)質(zhì)量為太陽的23 倍，另一個(gè)卻只有太陽的2.6 倍。引力波事件GW190521 則源于85 個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞和66 個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞并合。這些觀測(cè)很難納入現(xiàn)有的天體物理模型，卻很容易用原初黑洞解釋。

這是因?yàn)樵鹾诙吹馁|(zhì)量分布非常廣，甚至可以低至行星和小行星的質(zhì)量。理論上，原初黑洞誕生于宇宙早期。當(dāng)時(shí)物質(zhì)和能量緊密地?cái)D壓在一起，任何的擾動(dòng)都可以使得一個(gè)地方的密度超過臨界密度，進(jìn)而坍縮成一個(gè)黑洞。每個(gè)原初黑洞的大小都取決于其形成時(shí)的環(huán)境。因此，會(huì)存在著大量不同質(zhì)量的原初黑洞。

盡管如此，認(rèn)為第九行星就是一個(gè)原初黑洞仍然很牽強(qiáng)，畢竟其質(zhì)量要比激光干涉引力波天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)的黑洞都小得多。目前一般認(rèn)為，冥王星外的神秘引力源是一顆質(zhì)量為地球5～15 倍的行星。

但若考慮第九行星本身會(huì)帶來的問題，那原初黑洞的假說也許就不算離奇了。這里的理論問題就在于如何在遠(yuǎn)離太陽的地方形成大質(zhì)量的行星。

太陽系的行星形成于圍繞太陽的物質(zhì)盤中。但是，離太陽越遠(yuǎn)，物質(zhì)就越稀薄。在第九行星所處的距離上，根本沒有足夠的物質(zhì)來形成如此大的行星。

對(duì)此有一種解釋是，第九行星在距離太陽更近的地方形成，隨后在木星和土星引力的影響下遷移到了更遠(yuǎn)的地方。但問題很快就出現(xiàn)了，因?yàn)橐淮我ο嗷プ饔檬遣粔虻?，需要一系列的相互作用才能保證第九行星不再回到它最初的形成地。這一切似乎過于機(jī)緣巧合，至少應(yīng)該考慮其他的可能性。

另一項(xiàng)天文觀測(cè)使得這個(gè)太陽系邊緣的神秘天體更加有可能是一個(gè)原初黑洞。

光學(xué)引力透鏡實(shí)驗(yàn)正在監(jiān)視銀河系中心的恒星，來尋找引力透鏡導(dǎo)致的增亮事件。這是由于一個(gè)天體彎曲背景光源的光線所致。當(dāng)銀心區(qū)的恒星、引力透鏡體和地球排成一線時(shí)，居間天體的引力會(huì)匯聚遙遠(yuǎn)恒星的光線，使其增亮。根據(jù)這些增亮事件，可以發(fā)現(xiàn)那些因太小或太暗而本無法看見的天體。引力透鏡體的質(zhì)量越小，背景恒星亮度變化的時(shí)間跨度就越短。

在2010 年—2015 年間探測(cè)到的2600 個(gè)引力透鏡事件中，有6 個(gè)持續(xù)時(shí)間不到半天。這表明，引發(fā)上述引力透鏡事件的天體可能是在星際空間中自由運(yùn)動(dòng)而不隸屬任何一個(gè)恒星系統(tǒng)的流浪行星。也有研究顯示，這些短時(shí)標(biāo)事件還有可能是由一個(gè)幾倍于地球質(zhì)量的原初黑洞產(chǎn)生的。

不可見的秘密

近年來，對(duì)于暗物質(zhì)是否由原初黑洞構(gòu)成，存在很多爭論。根據(jù)激光干涉引力波天文臺(tái)探測(cè)到的黑洞并合率，可以計(jì)算出原初黑洞的數(shù)量。結(jié)果表明，所有原初黑洞確有可能占據(jù)宇宙總質(zhì)量中不小的比例，充當(dāng)至少一部分的暗物質(zhì)。

原初黑洞誕生于宇宙最初的時(shí)刻，保存了大爆炸后幾分之一秒內(nèi)所發(fā)生事情的信息。這是一個(gè)非常重要的時(shí)刻。那時(shí)，自然界中的力在最終形成，物質(zhì)、反物質(zhì)和暗物質(zhì)在穩(wěn)定至各自的比例，空間本身則因暴脹呈指數(shù)式增大。

然而，對(duì)那個(gè)時(shí)期的研究卻極其困難。光學(xué)和射電望遠(yuǎn)鏡無法看到那么久遠(yuǎn)的宇宙。這些望遠(yuǎn)鏡只能看到宇宙大爆炸后約30 萬光年的地方。在此之前，物質(zhì)密度極高，阻擋了光線傳播。由于銀河系中塵埃的干擾，目前尚無法探測(cè)到那個(gè)時(shí)期所產(chǎn)生的微弱引力波信號(hào)。

作為來自宇宙誕生時(shí)期的古老遺跡，原初黑洞將會(huì)改變這一切。利用原初黑洞，可以回溯本沒有辦法探索的宇宙早期事件。這些事件發(fā)生在不同的時(shí)間，對(duì)應(yīng)著不同質(zhì)量的原初黑洞。此外，每個(gè)事件還會(huì)影響在那個(gè)時(shí)刻形成的原初黑洞數(shù)量。所以，比較不同質(zhì)量原初黑洞的數(shù)量可以知道宇宙當(dāng)時(shí)的狀況。如果第九行星確實(shí)是一個(gè)原初黑洞，其質(zhì)量表明它可能形成于弱電相變時(shí)期，當(dāng)時(shí)電磁力與弱核力分道揚(yáng)鑣。

目前尚沒有任何方法能探測(cè)那時(shí)的宇宙。要證明外太陽系真的存在一個(gè)黑洞，就要用與探測(cè)未知行星完全不同的方法重新進(jìn)行搜索。

可能的任務(wù)

探測(cè)原初黑洞的最佳方式也許是去尋找它最顯著的特征：引力，具體方法是派遣一組小型航天器去探測(cè)引力源。無論是行星還是黑洞，航天器在經(jīng)過它附近時(shí)，都會(huì)偏離其預(yù)期軌跡，說明那里存在大質(zhì)量天體。這可以為望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)提供準(zhǔn)確的位置。如果望遠(yuǎn)鏡看到了一個(gè)光點(diǎn)，那就是行星;反之，則是黑洞。現(xiàn)在，航天器的小型化和太陽帆的使用使得這樣的任務(wù)成為可能。

太陽帆不需要燃料，僅通過太陽光施加在帆上的壓強(qiáng)來驅(qū)動(dòng)航天器。先把航天器送到太陽附近，它們就會(huì)受到很強(qiáng)的推力，能在一年內(nèi)飛行到海王星軌道。這種方法比化學(xué)推進(jìn)快10 倍左右。

目前，這一任務(wù)依然停留在紙面上。事實(shí)上，有些天文學(xué)家并不相信存在任何形式的第九行星。有一項(xiàng)分析提出，暗示第九行星存在的小天體特殊排列只是統(tǒng)計(jì)上的假象。隨著數(shù)據(jù)的積累，這個(gè)假象最終會(huì)消失。

平息爭議的最好辦法興許是回到起點(diǎn)。通過尋找更多的外太陽系冰質(zhì)小天體，來判斷是否存在第九行星或其他天體。

很快，薇拉·魯賓天文臺(tái)會(huì)改變這一現(xiàn)狀。該光學(xué)望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)以萬計(jì)位于太陽系邊緣的小天體，使樣本數(shù)量大大增加。根據(jù)這些小天體的軌道，將可以判斷外太陽系是否真的存在一個(gè)行星質(zhì)量的天體。由此甚至還可以精確地預(yù)測(cè)這個(gè)天體的位置，以便望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行更細(xì)致的觀測(cè)。如果看到了一顆行星，那將是一件大事。如果什么都沒有看到，但是引力異常依然存在，那就是時(shí)候發(fā)射太陽帆了。

文章來源：“世界科學(xué)”微信公眾號(hào)

（責(zé)任編輯：吳宇）