黑洞近在眼前？太阳系中会不会就隐藏着一个黑洞？

　　在大爆炸中诞生的黑洞可能会改变我们对宇宙的看法。在太阳系的边缘是否就潜伏着一个这样的黑洞呢？
　　在太阳系的巨行星之外，是一片荒凉之地。在那里存在一群类似冥王星的冰质小天体，天文学家正致力于搜寻和探测它们。在此过程中，有人猜想那里可能潜藏着更大的天体——一颗数倍于地球质量的行星。
　　这个假想的天体被称为＂第九行星＂，因为其引力使一些冰质小天体的轨道形成了特殊的排列，从而推测出它的存在。问题是，很难想象在离太阳那么远的地方如何形成这么大的行星。
　　现在所知道的是，在太阳系边缘可能隐藏着一个天体，但还无法通过已有的天文观测来判断它到底是什么。
　　但如果不是行星，那会是什么呢？一种猜测是，它可能是诞生于宇宙大爆炸的原初黑洞。
　　如果这个猜测是正确的，那将是一个轰动的发现。
　　原初黑洞将为我们打开一扇了解早期宇宙的新窗口，它们甚至可能组成了暗物质。这些都是天文学家一直在宇宙中搜寻原初黑洞的原因。
　　不过，没有人想过，这种黑洞远在天边，也可能近在眼前。
　　现在的问题是，如何确定潜伏在太阳系边缘的这个神秘引力源究竟是什么？
　　黑洞是极度弯曲的时空区域，其引力非常强，即便是光也无法逃脱。爱因斯坦1915年提出的广义相对论预言了黑洞的存在。
　　整整一个世纪后，激光干涉引力波天文台发现了由两个黑洞碰撞并合所引起的时空涟漪，即引力波，这是第一次直接探测黑洞。此后，该天文台又探测到了50多个引力波事件，其中有很多都出乎意料。
　　根据理论推测和已有的观测，黑洞大致可以分为两类。
　　一类是超大质量黑洞。它们存在于每个星系的中心，包括我们的银河系。通过并合其他的黑洞，这些黑洞可成长为质量达太阳数百万乃至几十亿倍的庞然大物。
　　另一类是恒星级黑洞。这类黑洞诞生于大质量恒星死亡时的剧烈爆炸，离地球最近的约在1000光年之外。它们的质量通常在5 15个太阳质量之间，这也是天文学家认为激光干涉引力波天文台会探测到的黑洞。
　　但是，2015年探测到了一起黑洞并合事件，其中两个黑洞的质量分别约为太阳的35和30倍。后续又探测到更多无法解释的大质量黑洞。
　　引力波事件GW190814中的两个黑洞，一个质量约为太阳的23倍，另一个却只有约太阳的2.6倍。引力波事件GW190521则源于85个和66个太阳质量的两个黑洞的并合。这些观测很难纳入现有的天体物理模型，但却很容易用原初黑洞解释。
　　原初黑洞的可能性
　　这是因为原初黑洞的质量分布非常广，甚至可以低至行星和小行星的质量。理论上，原初黑洞诞生于宇宙早期。当时物质和能量紧密地挤压在一起，任何的扰动都可以使得一个地方的密度超过临界密度，进而坍缩成一个黑洞。每个原初黑洞的大小都取决于其形成时的环境。因此，会存在着大量不同质量的原初黑洞。
　　尽管如此，认为第九行星就是一个原初黑洞仍然很牵强，毕竟其质量要比激光干涉引力波天文台发现的黑洞都小得多。目前一般认为，冥王星外的神秘引力源是一颗质量为地球5 15倍的行星。
　　但若考虑第九行星本身会带来的问题，那原初黑洞的假说也许就不算离奇了。这里的理论问题就在于如何在远离太阳的地方形成大质量的行星。
　　太阳系的行星形成于围绕太阳的物质盘中。但是，离太阳越远，物质就越稀薄。在第九行星所处的距离上，根本没有足够的物质来形成如此大的行星。
　　对此有一种解释是，第九行星在距离太阳更近的地方形成，随后在木星和土星引力的影响下迁移到了更远的地方。但问题很快就出现了，因为一次引力相互作用是不够的，需要一系列的相互作用才能保证第九行星不再回到它最初的形成地。这一切似乎过于机缘巧合，至少应该考虑其他的可能性。
　　另一项天文观测使得这个太阳系边缘的神秘天体更加有可能是一个原初黑洞。
　　光学引力透镜实验正在监视银河系中心的恒星，来寻找引力透镜导致的增亮事件。这是由于一个天体弯曲背景光源的光线所致。当银心区的恒星、引力透镜体和地球排成一线时，居间天体的引力会汇聚遥远恒星的光线，使其增亮。根据这些增亮事件，可以发现那些因太小或太暗而本无法看见的天体。引力透镜体的质量越小，背景恒星亮度变化的时间跨度就越短。
　　在2010—2015年间探测到的2600个引力透镜事件中，有6个的持续时间非常短，不到半天。这表明，引发上述引力透镜事件的天体可能是在星际空间中自由运动而不隶属于任何一个恒星系统的流浪行星。也有研究显示，这些短时标事件还有可能是由一个几倍于地球质量的原初黑洞产生的。
　　有意思的是，由外太阳系小天体的特殊排列所揭示的隐匿天体的质量，与这些极短微引力透镜事件背后的天体质量非常相近。当然，这也许仅仅是一个巧合，但可能也暗示普遍存在一大类此前未知的天体。如果它们不是流浪行星，那么就只能是原初黑洞。
　　这些黑洞直径只有9厘米，与一个柚子相当。这个假说是否成立，取决于一个问题：如果第九行星真是行星，那它是如何进入当前轨道的？
　　如果第九行星不是在太阳系内形成的，那么它只能是形成于另一个恒星系统的流浪行星，此后被太阳捕获。多项研究表明，虽然并非不可能，但其可能性微乎其微。然而，俘获一个原初黑洞的概率与俘获流浪行星的相当。
　　毫无疑问，如果在宇宙中找到了原初黑洞，那将是一件大事，它们也许能一次性解决宇宙学中的几大难题。
　　不可见的秘密
　　暗物质是维系星系并加速其最初形成过程的物质总称。在过去半个世纪的大部分时间里，一直认为暗物质由具有引力且不会与光发生相互作用的特殊未知粒子构成的。问题是，尽管多年来在实验上花费了数十亿美元，却依然没有探测到一个暗物质粒子。
　　近年来，对于暗物质是否由原初黑洞构成，存在很多争论。根据激光干涉引力波天文台探测到的黑洞并合率，可以计算出原初黑洞的数量。结果表明，所有原初黑洞确有可能占据宇宙总质量中不小的比例，充当至少一部分的暗物质。
　　原初黑洞诞生于宇宙最初的时刻，保存了大爆炸后几分之一秒内所发生事情的信息。这是一个非常重要的时刻。那时，自然界中的力在最终形成，物质、反物质和暗物质在稳定至各自的比例，空间本身则因暴胀呈指数式增大。
　　然而，对那个时期的研究却极其困难。光学和射电望远镜无法看到那么久远的宇宙。这些望远镜只能看到宇宙大爆炸后约30万年的地方。在此之前，物质密度极高，阻挡了光线传播。由于银河系中尘埃的干扰，目前尚无法探测到那个时期所产生的微弱引力波信号。
　　作为来自宇宙诞生时期的古老遗迹，原初黑洞将会改变这一切。利用原初黑洞，可以回溯本没有办法探索的宇宙早期事件。这些事件发生在不同的时间，对应着不同质量的原初黑洞。此外，每个事件还会影响在那个时刻形成的原初黑洞数量。所以，比较不同质量原初黑洞的数量可以知道宇宙当时的状况。
　　如果第九行星确实是一个原初黑洞，其质量表明它可能形成于弱电相变时期，当时电磁力与弱核力分道扬镳。
　　目前尚没有任何方法能探测那时的宇宙。要证明外太阳系真的存在一个黑洞，就要用与探测未知行星完全不同的方法重新进行搜索。
　　光学望远镜看不到黑洞。但X射线望远镜会有机会，因为任何落入黑洞的东西都会被加热并释放出X射线。问题是，这些爆发转瞬即逝，所以要在正确时间对准正确方向才行。如果暗物质真由特殊粒子组成，它们在相互碰撞时会湮灭，发出X射线。暗物质往往会聚集在黑洞周围，湮灭时会发出X射线或者γ射线。这些辐射会沿着黑洞的轨迹在天空中运动。
　　可能的任务
　　探测原初黑洞的最佳方式也许是去寻找它最显著的特征：引力。具体方法是派遣一组小型航天器去探测引力源。无论是行星还是黑洞，航天器在经过它附近时都会偏离其预期轨迹，说明那里存在大质量天体。这可以为望远镜观测提供准确的位置。如果望远镜看到了一个光点，那就是行星；反之，则是黑洞。
　　现在，航天器的小型化和太阳帆的使用使得这样的任务成为可能。
　　太阳帆不需要燃料，仅通过太阳光施加在帆上的压强来驱动航天器。先把航天器送到太阳附近，它们就会受到很强的推力，能在一年内飞行到海王星轨道。这种方法比化学推进快10倍左右。
　　太阳帆模拟图
　　目前，这一任务依然停留在纸面上。事实上，有些天文学家并不相信存在任何形式的第九行星。有一项分析提出，暗示第九行星存在的小天体特殊排列只是统计上的假象。随着数据的积累，这个假象最终会消失。
　　平息争议的最好办法兴许是回到起点。通过寻找更多的外太阳系冰质小天体，来判断是否存在第九行星或其他天体。
　　很快，薇拉·鲁宾天文台会改变这一现状。该光学望远镜预计会发现数以万计位于太阳系边缘的小天体，使样本数量大大增加。根据这些小天体的轨道将可以判断外太阳系是否真的存在一个行星质量的天体。由此甚至还可以精确地预测这个天体的位置，以便望远镜进行更细致的观测。
　　如果看到了一颗行星，那将是一件大事。如果什么都没有看到，但是引力异常依然存在，那就是时候发射太阳帆了。
　　-本文作者斯图尔特·克拉克（Stuart Clark）是《新科学家》顾问-
　　END
　　资料来源：
　　A black hole in our backyard（New Scientist）
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