太陽系中還隱藏著一個黑洞？

斯圖爾特·克拉克

現在我們所知道的是，在太陽系邊緣可能隱藏著一個天體，但無法通過已有的天文觀測來判斷它到底是什么。如果不是行星，那會是什么呢？一種猜測是，它可能是誕生于宇宙大爆炸的原初黑洞。如果這個猜測是正確的，那將是一個轟動的發現。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

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

這是因為原初黑洞的質量分布非常廣，甚至可以低至行星和小行星的質量。理論上，原初黑洞誕生于宇宙早期。當時物質和能量緊密地擠壓在一起，任何的擾動都可以使得一個地方的密度超過臨界密度，進而坍縮成一個黑洞。每個原初黑洞的大小都取決于其形成時的環境。因此，會存在著大量不同質量的原初黑洞。

盡管如此，認為第九行星就是一個原初黑洞仍然很牽強，畢竟其質量要比激光干涉引力波天文臺發現的黑洞都小得多。目前一般認為，冥王星外的神秘引力源是一顆質量為地球5～15 倍的行星。

但若考慮第九行星本身會帶來的問題，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離太陽的地方形成大質量的行星。

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

對此有一種解釋是，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的地方。但問題很快就出現了，因為一次引力相互作用是不夠的，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。這一切似乎過于機緣巧合，至少應該考慮其他的可能性。

另一項天文觀測使得這個太陽系邊緣的神秘天體更加有可能是一個原初黑洞。

光學引力透鏡實驗正在監視銀河系中心的恒星，來尋找引力透鏡導致的增亮事件。這是由于一個天體彎曲背景光源的光線所致。當銀心區的恒星、引力透鏡體和地球排成一線時，居間天體的引力會匯聚遙遠恒星的光線，使其增亮。根據這些增亮事件，可以發現那些因太小或太暗而本無法看見的天體。引力透鏡體的質量越小，背景恒星亮度變化的時間跨度就越短。

在2010 年—2015 年間探測到的2600 個引力透鏡事件中，有6 個持續時間不到半天。這表明，引發上述引力透鏡事件的天體可能是在星際空間中自由運動而不隸屬任何一個恒星系統的流浪行星。也有研究顯示，這些短時標事件還有可能是由一個幾倍于地球質量的原初黑洞產生的。

不可見的秘密

近年來，對于暗物質是否由原初黑洞構成，存在很多爭論。根據激光干涉引力波天文臺探測到的黑洞并合率，可以計算出原初黑洞的數量。結果表明，所有原初黑洞確有可能占據宇宙總質量中不小的比例，充當至少一部分的暗物質。

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

然而，對那個時期的研究卻極其困難。光學和射電望遠鏡無法看到那么久遠的宇宙。這些望遠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，目前尚無法探測到那個時期所產生的微弱引力波信號。

作為來自宇宙誕生時期的古老遺跡，原初黑洞將會改變這一切。利用原初黑洞，可以回溯本沒有辦法探索的宇宙早期事件。這些事件發生在不同的時間，對應著不同質量的原初黑洞。此外，每個事件還會影響在那個時刻形成的原初黑洞數量。所以，比較不同質量原初黑洞的數量可以知道宇宙當時的狀況。如果第九行星確實是一個原初黑洞，其質量表明它可能形成于弱電相變時期，當時電磁力與弱核力分道揚鑣。

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

可能的任務

探測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引力源。無論是行星還是黑洞，航天器在經過它附近時，都會偏離其預期軌跡，說明那里存在大質量天體。這可以為望遠鏡觀測提供準確的位置。如果望遠鏡看到了一個光點，那就是行星;反之，則是黑洞。現在，航天器的小型化和太陽帆的使用使得這樣的任務成為可能。

太陽帆不需要燃料，僅通過太陽光施加在帆上的壓強來驅動航天器。先把航天器送到太陽附近，它們就會受到很強的推力，能在一年內飛行到海王星軌道。這種方法比化學推進快10 倍左右。

目前，這一任務依然停留在紙面上。事實上，有些天文學家并不相信存在任何形式的第九行星。有一項分析提出，暗示第九行星存在的小天體特殊排列只是統計上的假象。隨著數據的積累，這個假象最終會消失。

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

很快，薇拉·魯賓天文臺會改變這一現狀。該光學望遠鏡預計會發現數以萬計位于太陽系邊緣的小天體，使樣本數量大大增加。根據這些小天體的軌道，將可以判斷外太陽系是否真的存在一個行星質量的天體。由此甚至還可以精確地預測這個天體的位置，以便望遠鏡進行更細致的觀測。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，那就是時候發射太陽帆了。

文章來源：“世界科學”微信公眾號

（責任編輯：吳宇）