后院黑洞

刘生元

在比太阳系巨行星更远的外太阳系(外太阳系)，有一片极其巨大的“荒原”。大多数天文学家认为，还有许多类似冥王星-矮行星的小型冰体，许多科学团队一直在试图寻找它们。在这个过程中，一些科学家开始相信存在一个更大的隐藏天体，第九行星，其质量是地球的许多倍。

这些科学家指出，之所以推测第九号行星是存在的，是因为它的引力能解释一些含冰小天体的排列方式：这些小天体之所以这样排列，很可能是由于受这颗行星的引力控制。但问题是，没有人敢想象：如果真有一颗这么大的行星，它又怎么可能在如此远离太阳的地方形成？英国天文学家索尔兹说，科学家目前只知道太阳系外围应该有大天体存在，但现有的观测未能揭示它的身份。如果它不是一颗行星，那么它是什么？索尔兹推测：它有可能是一个形成于宇宙大爆炸时期的原始黑洞。

九号行星的假想运行轨道（橙色），紫色为受其引力影响的小行星轨道这些科学家指出，推测第九行星的存在是因为它的引力可以解释一些含有冰的小天体的排列:这些小天体的排列很可能是由这颗行星的引力控制的。但问题是，没有人敢想象:如果真的有这么大的行星，它是如何在离太阳这么远的地方形成的？英国天文学家萨尔茨表示，目前科学家只知道太阳系外围应该存在一个大型天体，但现有的观测未能揭示其身份。如果它不是一颗行星，那它是什么？Solz推测可能是BIGBANG时期形成的原始黑洞。行星9的假想轨道(橙色)，紫色是受其引力影响的小行星轨道。

如果索尔兹的推测正确，那就会是一个极其惊人的大发现。原始黑洞将让我们更好地了解宇宙初期。让星系能够成形而不至于散架的物质是神秘的暗物质，而原始黑洞有可能由暗物质组成。果真如此吗？对这类问题的极大好奇，驱使宇宙学家一直在寻找原始黑洞。但无人敢设想在太阳系的“后院”——太阳系外围存在原始黑洞。

九號行星可能是一个原始黑洞如果萨尔茨的推测是正确的，这将是一个极其惊人的发现。原始黑洞会让我们更好地了解早期宇宙。让星系形成而不分崩离析的物质是神秘的暗物质，原始黑洞可能就是由暗物质组成的。真的是这样吗？对这类问题的巨大好奇心驱使宇宙学家不断寻找原始黑洞。但没有人敢想象太阳系的“后院”——太阳系外围存在原始黑洞。行星9可能是一个原始黑洞。

两种黑洞

现在的问题是:如何确定潜伏在外太阳系的神秘引力源是什么？

黑洞是非常扭曲的时间空区域，它的引力让任何物质都无法抗拒:无论什么物质，包括光，都可以逃脱黑洞的引力。黑洞的存在是基于1915年爱因斯坦的广义相对论。整整100年后的2015年，激光干涉仪引力波天文台(简称LIGO)观测到了两个黑洞碰撞合并产生的微弱时间空波纹(引力波)，首次证实了黑洞的存在。

黑洞的存在可以从理论上和从它们对附近物质的影响而推测出，并可以分为两类。其中最大的黑洞，是发现于宇宙中每个星系（包括银河系）中央的超大质量黑洞。这类黑洞由其他黑洞合并而成，其质量是太阳的数百万乃至数十亿倍。

激光干涉仪天文台（LIGO）黑洞的存在可以从理论上推断，也可以从它们对附近物质的影响推断，可以分为两类。最大的黑洞之一是宇宙中每个星系(包括银河系)中心都存在的超大质量黑洞。这种黑洞是由其他黑洞合并而成，质量是太阳的几百万甚至几十亿倍。激光干涉仪天文台(LIGO)

LIGO——巨大的干涉仪LIGO-巨大干涉仪

第二种黑洞是恒星黑洞，是大质量恒星在生命末期的巨大爆炸形成的。距离地球最近的恒星黑洞位于大约1000光年之外。恒星黑洞的质量一般是太阳的5 ~ 15倍。大多数天文学家认为LIGO可以找到这颗恒星的黑洞。但LIGO在2015年的发现表明，这两个碰撞黑洞的质量分别是太阳的35倍和30倍左右。

后续探测所发现的信号表明的黑洞质量更让人匪夷所思。例如，GW90814信号表明两个相撞黑洞中一个的质量为太阳的大约23倍，而另一个只有2.6倍。GW190521信号表明两个相撞黑洞中一个的质量为太阳的大约85倍，另一个约为66倍。这类观测结果用天体物理学传统模型难以解释，而用原始黑洞却能很好解释。为什么这么说？

黑洞合并（示意图）后续探测中发现的信号所指示的黑洞质量更是不可思议。例如，GW90814信号表明，两个碰撞黑洞中的一个的质量约为太阳的23倍，而另一个的质量仅为2.6倍。GW190521信号表明，碰撞的两个黑洞中，一个黑洞的质量约为太阳的85倍，另一个黑洞的质量约为太阳的66倍。这种观测很难用传统的天体物理模型来解释，但可以用原始黑洞来很好地解释。为什么这么说？黑洞合并(示意图)

GW190521 信号解读图GW190521信号解释图

灵活的

回到上一段末尾的问题。答案是，原始黑洞的质量被认为或大或小，甚至小到只有行星或小行星的质量。理论上，原始黑洞形成于宇宙之初。当时的宇宙是一个由物质和能量组成的运动大漩涡，被挤压得很厉害。任何扰动都会导致特定区域的密度失衡，最终导致该区域成为黑洞。每个黑洞的大小取决于黑洞诞生时的环境条件。因此，宇宙中应该存在大量各种大小的原始黑洞。

然而，这仍然不能支持第九行星是原始黑洞的说法，因为它的质量根本无法与LIGO揭示的原始黑洞相提并论。目前传统理论认为冥王星轨道外的神秘引力源是一颗质量为地球5 ~ 15倍的行星。2014年，两位美国科学家首次提出了这一估计。

然而，Solz和他的同事Unwin越思考第九行星的这一假设，他们越倾向于猜测所谓的第九行星应该是一个原始黑洞。多年前，昂温在美国的一次会议上听到了第九行星的说法，兴奋得马上给索尔兹打电话:“它真的可能是一颗行星，但如果不是，它会是什么？”

他和萨尔茨之所以怀疑它不会是行星，是因为在离太阳这么远的地方不可能形成大行星。太阳系的行星是由围绕太阳的物质盘聚合而成的。离太阳越远，物质密度越低。以第九行星的距离，根本不可能有这么多原料来建造这么大的星球。

有科学家提出，第九号行星原本形成于太阳附近，但后来被木星或土星的引力拖到了太阳系外围。然而，除非有多次引力交互，否则不可能让质量比地球还大得多的第九号行星去到那么远的地方而不回来。正因为如此，索尔兹和昂文相信第九号行星应该是一个原始黑洞。一项探测更遥远之地的实验，让他们更坚定了自己的看法。

引力微透镜原理示意图一些科学家提出，第九行星最初形成于太阳附近，但后来被木星或土星的引力拖到了太阳系外围。但是，除非有很多引力的相互作用，质量比地球大很多的第九行星是不可能走那么远而不回来的。正因为如此，Solz和Unwin认为9号行星应该是一个原始黑洞。探索更远地方的实验加强了他们的观点。引力微透镜原理示意图

实验启蒙

在智利的一个天文台运行的光学引力透镜实验(OGLE)致力于观测由引力微透镜引起的银河系中心恒星亮度的突然增加。所谓引力微透镜作用，就是背景光源发出的光被偶然从背景光源前面经过的干扰天体扭曲。干扰天体原本是看不见的，因为它太小或太暗。但由于干扰天体的轨道使其刚好暂时位于地球和一个星系中心的恒星之间，所以干扰天体暂时被照亮而出现。而且干扰天体的引力使恒星光聚焦，从而使恒星看起来更亮。亮度增加时间越短，干扰天体的质量越小。

2010—2015年，OGLE观测到的微透镜事件达2600起，其中6起超短，即持续时间不到半天。有科学家推测，造成超短微透镜事件的是自由绕行于星际空间、不受恒星系统束缚的行星。但在2019年的一篇论文中，有科学家提出这些微透镜事件很容易由质量仅为地球几倍的原始黑洞产生。

黑洞的存在，势必会对周围行星产生影响从2010年到2015年，OGLE观测到的微透镜事件有2600次，其中6次是超短的，即持续时间不到半天。一些科学家推测，超短微透镜事件是由自由环绕星际空间空且不受恒星系统束缚的行星引起的。然而，在2019年的一篇论文中，一些科学家提出，这些微透镜事件可以很容易地由质量只有地球数倍的原始黑洞产生。黑洞的存在必然会影响到周围的行星。

看到这篇论文后，Solz注意到一个奇怪的事情:外太阳系小天体的排列显示，存在一个大天体，其质量(计算值)与引发这些微透镜事件的天体相同。当然，这可能只是一种巧合，但在Solz和Unwin看来，这种“巧合”暗示着宇宙中存在大量科学界此前不知道的天体。如果其中一些不是行星，那么至少其中一些可能是原始黑洞。

毫无疑问，宇宙中一旦发现原始黑洞，其意义不言而喻。如果宇宙中仍然分布着原始黑洞，这些古老的天体可能会帮助科学家一劳永逸地解决许多关于宇宙的难题。黑暗的秘密

科学家将暗物质比作将星系“粘”在一起的“胶水”，这种“胶水”加速了星系的形成。在过去的50年里，科学家们一直坚信暗物质由未被发现的粒子组成。暗物质是一种我们尚未认识到的奇怪物质，产生引力但不与光相互作用。问题是，尽管科学家们多年来进行了许多实验，花费了大量资金，但他们甚至没有探测到一个暗物质粒子。

近年来，科学家们一直在争论暗物质是否可能由原始黑洞组成。根据LIGO观测到的黑洞合并频率，一些科学家估计了古代黑洞的数量。因此，黑洞占据了宇宙质量的相当大的比例。如果是这样，那么原来的黑洞可能真的是暗物质。

宇宙最早期形成的黑洞可能包含大爆炸后不到十分之一秒的情况。这个时期非常重要——自然的力量正在塑造它们的终极形态:物质、反物质和暗物质正以各自的比例汇聚；空本身也在经历着极其迅速的膨胀，直到非常大。

然而，对这一时期的考察就更加困难了。光学望远镜和射电望远镜不可能观测到如此遥远的过去。当你看大爆炸后30万年光线到达的地方，物质密度急剧增加，从而挡住了望远镜的视野。在此期间，由于银河系中的尘埃效应，捕捉引力波信号的尝试一次又一次失败。

作为来自宇宙诞生时期的遗产，原始黑洞有可能改变这种困局。如果能找到原始黑洞，科学家就能立即回到从前，去探索以前毫无办法探索的事件。这些事件发生于不同时期，因此与不同质量的原始黑洞有关。不仅如此，每一次事件都会影响当时原始黑洞的形成数量。通过比较不同质量的黑洞数量，就可能知道当时发生的事件。例如，第九号行星的质量意味着，如果它的确是一个原始黑洞，那么它就很可能产生于电磁力与弱核力分离的电弱相变时期。

作为宇宙诞生的遗留物，原始黑洞可能会改变这种困境。如果能够找到原始黑洞，科学家们就可以立即回到过去，探索以前没有办法探索的事件。这些事件发生在不同时期，因此与不同质量的原始黑洞有关。不仅如此，每一次事件都会影响当时形成的原始黑洞数量。通过比较不同质量的黑洞数量，可以知道当时发生了什么。比如第九行星的质量，意味着如果它确实是一个原始黑洞，那么它很可能产生于电磁力与弱核力分离的弱相变时期。

但是通过原始黑洞的窗口窥视宇宙的历史还为时过早。首先，我们必须证明太阳系中确实存在原始黑洞。为了证明这一点，我们必须展开一场与寻找行星完全不同的新搜索。望远镜永远看不到黑洞。X射线望远镜有机会看到它，因为任何落入黑洞的东西都会被加热并发出X射线。问题是这种发射转瞬即逝，望远镜必须在精确的时间精确对准发射方向才能被探测到。也有稳定的X射线信号发射的可能性，前提是暗物质确实是由接触后会相互湮灭的奇异粒子组成。暗物质将倾向于聚集在黑洞周围。如果暗物质确实是由奇异粒子组成的，那么作为湮灭的结果，随着黑洞在其轨道上运动，会发出稳定的X射线流或射线流在天空中漂移空。未来任务

或许，捕捉原始黑洞最好的方法就是寻找黑洞大量产生的东西——引力。一些科学家提议使用小型飞行舰队来探测黑洞的引力。原理是航天器轨道的偏差可能是由大型潜伏天体(无论是行星还是黑洞)造成的。船队可能会指出望远镜精确瞄准的方向。如果望远镜看到一个点，它就是一颗行星。如果什么都看不到，可能是黑洞。

在最近的一篇论文中，这些科学家认为，利用人造微型卫星和太阳帆来执行黑洞探测任务是可能的。太阳帆不需要推进剂:阳光对太阳帆的压力可以推动太阳帆飞船。一是飞船飞向太阳，获得强大的推力，一年内就可以进入海王星轨道，比化学推进快10倍。

目前，这样的任务纯属纸上谈兵。事实上，一些科学家根本不相信第九号行星之类的天体存在。2021年初，有科学家发表论文说，认为太阳系外围小型矮行星的排列由第九号行星造成的观点属于统计数据精确度不高所致，更精确的数据将驳倒这个观点。

太阳帆（想象图）目前，这样的任务纯粹是理论上的。事实上，有些科学家根本不相信第九行星等天体的存在。2021年初，一位科学家发表论文称，认为太阳系外小型矮行星的排列是由9号行星造成的观点是由于统计数据的准确性较低，更准确的数据将反驳这一观点。太阳帆(想象)

当务之急是回到起点:绘制外太阳系小型含冰天体分布图，从而发现是否存在潜伏的大型天体。这个任务很可能会变得不那么困难——智利的维拉·鲁宾天文台将在2021年底前投入运行，预计它将在外太阳系发现数万个小天体。这些天体的轨道将证明外太阳系是否真的有大型天体有待发现。如果是，天文学家甚至能够确定它的位置，然后望远镜将深入探测它。如果那时发现了一颗行星，那当然意义重大。但如果什么都没发现，异常引力扰动依然存在，那么就该发射太阳帆飞船了。