后院黑洞

劉聲遠(yuǎn)

在比太陽系巨行星所在位置更遠(yuǎn)的太陽系外圍（外太陽系），有一片極其巨大的“荒野”。大多數(shù)天文學(xué)家相信，那里有眾多與冥王星相似的含冰小天體——矮行星，而且多個科學(xué)團(tuán)隊一直在致力于尋找它們。在此過程中，一些科學(xué)家開始相信那里還有一顆更大、質(zhì)量是地球多倍的隱藏天體——第九號行星。

這些科學(xué)家指出，之所以推測第九號行星是存在的，是因為它的引力能解釋一些含冰小天體的排列方式：這些小天體之所以這樣排列，很可能是由于受這顆行星的引力控制。但問題是，沒有人敢想象：如果真有一顆這么大的行星，它又怎么可能在如此遠(yuǎn)離太陽的地方形成？英國天文學(xué)家索爾茲說，科學(xué)家目前只知道太陽系外圍應(yīng)該有大天體存在，但現(xiàn)有的觀測未能揭示它的身份。如果它不是一顆行星，那么它是什么？索爾茲推測：它有可能是一個形成于宇宙大爆炸時期的原始黑洞。

九號行星的假想運(yùn)行軌道（橙色），紫色為受其引力影響的小行星軌道

如果索爾茲的推測正確，那就會是一個極其驚人的大發(fā)現(xiàn)。原始黑洞將讓我們更好地了解宇宙初期。讓星系能夠成形而不至于散架的物質(zhì)是神秘的暗物質(zhì)，而原始黑洞有可能由暗物質(zhì)組成。果真如此嗎？對這類問題的極大好奇，驅(qū)使宇宙學(xué)家一直在尋找原始黑洞。但無人敢設(shè)想在太陽系的“后院”——太陽系外圍存在原始黑洞。

九號行星可能是一個原始黑洞

兩類黑洞

現(xiàn)在的問題是：怎樣確定潛伏在外太陽系的神秘引力源究竟是什么？

黑洞是非常扭曲的時空區(qū)域，它們的引力讓任何物質(zhì)都無法抗拒：包括光線在內(nèi)，無論什么物質(zhì)都無法逃避黑洞的引力。黑洞的存在，是基于愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論。在剛好100年后的2015年，激光干涉儀引力波天文臺（簡稱LIGO）觀測到由兩個黑洞相撞、合并而產(chǎn)生的微弱的時空漣漪（引力波），才首次證實(shí)黑洞的存在。

黑洞的存在可以從理論上和從它們對附近物質(zhì)的影響而推測出，并可以分為兩類。其中最大的黑洞，是發(fā)現(xiàn)于宇宙中每個星系（包括銀河系）中央的超大質(zhì)量黑洞。這類黑洞由其他黑洞合并而成，其質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬乃至數(shù)十億倍。

激光干涉儀天文臺（LIGO）

LIGO——巨大的干涉儀

第二類黑洞是恒星黑洞，它們形成于大質(zhì)量恒星在生命終點(diǎn)的巨大爆發(fā)。與地球距離最近的恒星黑洞，位于大約1000光年外。恒星黑洞的質(zhì)量一般為太陽的5～15倍，大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為LIGO能發(fā)現(xiàn)的正是恒星黑洞。但LIGO在2015年的發(fā)現(xiàn)，表明那兩個相撞的黑洞的質(zhì)量分別為太陽的大約35倍和30倍。

后續(xù)探測所發(fā)現(xiàn)的信號表明的黑洞質(zhì)量更讓人匪夷所思。例如，GW90814信號表明兩個相撞黑洞中一個的質(zhì)量為太陽的大約23倍，而另一個只有2.6倍。GW190521信號表明兩個相撞黑洞中一個的質(zhì)量為太陽的大約85倍，另一個約為66倍。這類觀測結(jié)果用天體物理學(xué)傳統(tǒng)模型難以解釋，而用原始黑洞卻能很好解釋。為什么這么說？

黑洞合并（示意圖）

GW190521 信號解讀圖

可大可小

回到上段末的問題。答案是原始黑洞的質(zhì)量被認(rèn)為可大可小，甚至可小到只有行星或小行星的質(zhì)量。理論上說，原始黑洞形成于宇宙初期。那時的宇宙是一個由物質(zhì)和能量組成、被擠壓得非常厲害的移動的大漩渦，任何擾動都會導(dǎo)致一個特定區(qū)域的密度失衡，最終導(dǎo)致該區(qū)域變成黑洞。其中每個黑洞的大小取決于該黑洞誕生時的環(huán)境狀況。因此，宇宙中應(yīng)該存在各種大小的大量原始黑洞。

然而，這仍然無法支持第九號行星是一個原始黑洞的說法，因為它的質(zhì)量根本比不上LIGO所揭示的原始黑洞的質(zhì)量。目前的傳統(tǒng)理論認(rèn)為，位于冥王星軌道外的神秘引力源是一顆質(zhì)量為地球的5～15倍的行星。2014年，兩名美國科學(xué)家首次提出了這個估計值。

但是，隨著索爾茲及其同事昂文對這種第九號行星假說思考得越多，他們越傾向于猜測所謂的第九號行星應(yīng)該是一個原始黑洞。多年前，昂文在美國的一次會議上聽到了第九號行星這個說法，興奮得立即給索爾茲打電話：“它真可能是一顆行星，但如果不是，又會是什么？”

他和索爾茲之所以懷疑那不會是一顆行星，是因為在離太陽那么遠(yuǎn)的地方根本不可能形成一顆大行星。太陽系行星是從環(huán)繞太陽的物質(zhì)盤中聚合出來的。離太陽越遠(yuǎn)，物質(zhì)密度越低。在第九號行星所在的距離，根本不可能有那么多原始物質(zhì)來構(gòu)筑這么大的一顆行星。

有科學(xué)家提出，第九號行星原本形成于太陽附近，但后來被木星或土星的引力拖到了太陽系外圍。然而，除非有多次引力交互，否則不可能讓質(zhì)量比地球還大得多的第九號行星去到那么遠(yuǎn)的地方而不回來。正因為如此，索爾茲和昂文相信第九號行星應(yīng)該是一個原始黑洞。一項探測更遙遠(yuǎn)之地的實(shí)驗，讓他們更堅定了自己的看法。

引力微透鏡原理示意圖

實(shí)驗啟示

在智利一家天文臺運(yùn)作的光學(xué)引力透鏡實(shí)驗（簡稱OGLE），致力于觀測由引力微透鏡作用引起的銀河系中心恒星亮度的陡然增加。所謂引力微透鏡作用是指：由背景光源發(fā)出的光線被偶然經(jīng)過背景光源前方的干擾天體扭曲。干擾天體因為太小或太暗，本來不可見，但因為干擾天體的軌道讓該天體恰好暫時位于地球和一顆星系中心恒星之間，所以干擾天體暫時被照亮而現(xiàn)身，而且干擾天體的引力讓恒星光聚焦，從而讓恒星看上去更亮。亮度增加的時間越短，說明干擾天體的質(zhì)量越小。

2010—2015年，OGLE觀測到的微透鏡事件達(dá)2600起，其中6起超短，即持續(xù)時間不到半天。有科學(xué)家推測，造成超短微透鏡事件的是自由繞行于星際空間、不受恒星系統(tǒng)束縛的行星。但在2019年的一篇論文中，有科學(xué)家提出這些微透鏡事件很容易由質(zhì)量僅為地球幾倍的原始黑洞產(chǎn)生。

黑洞的存在，勢必會對周圍行星產(chǎn)生影響

見到這篇論文后，索爾茲注意到了一個奇怪之處：外太陽系小天體的排列表明，那里有一個大天體的質(zhì)量與造成這些微透鏡事件的天體質(zhì)量（推算值）相當(dāng)。這當(dāng)然可能只是一個巧合，但在索爾茲和昂文看來，這種“巧合”暗指宇宙中存在此前科學(xué)界未知的大量天體，如果其中一部分不是行星，那么至少有一部分可能是原始黑洞。

毫無疑問，一旦在宇宙中發(fā)現(xiàn)一個原始黑洞，其意義之巨大不言而喻。如果宇宙中仍然分布著原始黑洞，這些古老天體就可能有助于科學(xué)家一錘定音地一次性破解有關(guān)宇宙的諸多難題。

黑暗之秘

科學(xué)家將暗物質(zhì)比作把星系“粘”在一起的“膠水”，而且這種“膠水”加速了星系的形成。過去50年中，科學(xué)家已經(jīng)確信暗物質(zhì)由尚未發(fā)現(xiàn)的粒子組成。暗物質(zhì)是我們尚未認(rèn)知、產(chǎn)生引力但不與光線交互的奇異物質(zhì)。問題在于，雖然多年來科學(xué)家進(jìn)行了許多次實(shí)驗，花費(fèi)巨大，但沒有探測到哪怕一個暗物質(zhì)粒子。

近年來，科學(xué)家對暗物質(zhì)是否可能由原始黑洞組成爭執(zhí)不休。根據(jù)LIGO觀測到的黑洞合并頻率，一些科學(xué)家估算了古老黑洞的數(shù)量，結(jié)果是黑洞占據(jù)宇宙質(zhì)量的比例相當(dāng)大。如果的確如此，那么原始黑洞就真有可能是暗物質(zhì)。

形成于宇宙最初期的黑洞，可能包藏著宇宙大爆炸后不到萬分之一秒時的情況。這個時期很重要——自然的力量正在塑造自己的終極形態(tài)：物質(zhì)、反物質(zhì)和暗物質(zhì)正在以各自相應(yīng)的比例聚合;空間自身正經(jīng)歷極快膨脹，直到膨脹到很大很大。

然而，要想調(diào)查這一時期難上加難。光學(xué)和射電望遠(yuǎn)鏡根本不可能觀測到如此遙遠(yuǎn)的過去。在望到大爆炸后30萬年光線所及的地方時，物質(zhì)密度劇增，因此遮擋望遠(yuǎn)鏡的視野。對該時期引力波信號的捕捉嘗試一再失敗，這是因為受銀河系中塵埃效應(yīng)的影響。

作為來自宇宙誕生時期的遺產(chǎn)，原始黑洞有可能改變這種困局。如果能找到原始黑洞，科學(xué)家就能立即回到從前，去探索以前毫無辦法探索的事件。這些事件發(fā)生于不同時期，因此與不同質(zhì)量的原始黑洞有關(guān)。不僅如此，每一次事件都會影響當(dāng)時原始黑洞的形成數(shù)量。通過比較不同質(zhì)量的黑洞數(shù)量，就可能知道當(dāng)時發(fā)生的事件。例如，第九號行星的質(zhì)量意味著，如果它的確是一個原始黑洞，那么它就很可能產(chǎn)生于電磁力與弱核力分離的電弱相變時期。

但要想透過原始黑洞這扇窗戶去窺探宇宙歷史，還為時太早。首先，我們必須證明太陽系中真的有原始黑洞。而要想證明這一點(diǎn)，我們必須展開與尋找行星截然不同的全新搜索。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡永遠(yuǎn)看不見黑洞。X射線望遠(yuǎn)鏡有機(jī)會看見，這是因為任何墜入黑洞的物質(zhì)都會被加熱并發(fā)出X射線。問題是這種發(fā)射轉(zhuǎn)瞬即逝，望遠(yuǎn)鏡必須在精確的時間精確地對準(zhǔn)發(fā)射方向才可能探測到。還有一種可能會導(dǎo)致穩(wěn)定的X射線信號發(fā)射，前提是暗物質(zhì)的確由一接觸就會互相湮滅的奇異粒子組成。暗物質(zhì)會傾向于聚集在黑洞周圍，如果暗物質(zhì)的確由奇異粒子組成，那么作為湮滅的結(jié)果，隨著黑洞在其軌道中運(yùn)行，它會發(fā)出在天空中飄移、穩(wěn)定的X射線流或? ? 射線流。

未來任務(wù)

或許，捕捉原始黑洞的最好辦法是尋找黑洞大量產(chǎn)生的東西——引力。有科學(xué)家提議用小飛船隊探測黑洞引力，原理是飛船軌道的偏離有可能由潛伏的大天體（不管是行星還是黑洞）造成。小飛船隊可能提示望遠(yuǎn)鏡精確對準(zhǔn)哪個方向。如果望遠(yuǎn)鏡看見光斑，它就是行星。如果什么也沒看見，那就可能是黑洞。

在最近一篇論文里，這些科學(xué)家認(rèn)為采用人造微型衛(wèi)星和太陽帆就可能執(zhí)行黑洞探測任務(wù)。太陽帆無需推進(jìn)劑：陽光對太陽帆的壓力就能推動太陽帆飛船。飛船首先飛向太陽，獲得強(qiáng)大的推力，在一年內(nèi)就能讓飛船進(jìn)入海王星軌道，這比采用化學(xué)推進(jìn)快10倍。

目前，這樣的任務(wù)純屬紙上談兵。事實(shí)上，一些科學(xué)家根本不相信第九號行星之類的天體存在。2021年初，有科學(xué)家發(fā)表論文說，認(rèn)為太陽系外圍小型矮行星的排列由第九號行星造成的觀點(diǎn)屬于統(tǒng)計數(shù)據(jù)精確度不高所致，更精確的數(shù)據(jù)將駁倒這個觀點(diǎn)。

太陽帆（想象圖）

眼下的需要是回到出發(fā)點(diǎn)：繪制外太陽系含冰小天體分布圖，以查明是否存在潛伏的大天體。這項任務(wù)可能將變得不那么難——位于智利的維拉魯賓天文臺將在2021年底之前投入運(yùn)作，預(yù)計它將發(fā)現(xiàn)數(shù)萬顆外太陽系小天體。這些天體的軌道將證明外太陽系是否真的還有尚待發(fā)現(xiàn)的大天體。如果真有，天文學(xué)家甚至將能確定它的方位，那么望遠(yuǎn)鏡將對它進(jìn)行深入探測。如果屆時發(fā)現(xiàn)的是一顆行星，當(dāng)然意義非凡。但如果什么也沒發(fā)現(xiàn)，而異常的引力擾動依然存在，那么就到了發(fā)射太陽帆飛船之時。