大爆炸中誕生的黑洞會(huì)改變我們對(duì)宇宙的看法。就拿我們所生存的太陽(yáng)系來(lái)說(shuō)，天文學(xué)家心中就一直有個(gè)疑問(wèn)：會(huì)不會(huì)有黑洞“潛伏”在太陽(yáng)系的邊緣？
如果這種猜測(cè)正確，那將是一個(gè)非常驚人的發(fā)現(xiàn)。原始黑洞會(huì)為我們研究宇宙初期提供一個(gè)新的視角?；蛟S，我們還能由此發(fā)現(xiàn)那種把星系聚集在一起的神秘物質(zhì)——暗物質(zhì)。這些年來(lái)，宇宙學(xué)家為找到它們，一直在努力探索，可沒準(zhǔn)它們的身影就在人類自己的“后院”呢？
在外太陽(yáng)系的巨行星之外，有著一片廣闊而荒涼的空間。大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為，那里有許多像冥王星一樣的小型冰天體，一些團(tuán)隊(duì)也在研究那里具體有哪些矮行星。在研究過(guò)程中，有專家開始懷疑，或許那里潛藏著一個(gè)大東西——一顆比地球質(zhì)量大好幾倍的行星。
一些人認(rèn)為，這可能是“第九行星”，因?yàn)槠湟Ω淖兞酥車恍┬⌒捅祗w的軌道。但同時(shí)，人們又對(duì)它的存在感到些許困惑：這么大一顆行星是如何在離太陽(yáng)這么遠(yuǎn)的距離形成的？英國(guó)杜倫大學(xué)理論天文學(xué)家雅各布·朔爾茨說(shuō)：“可以肯定的是，那里有一個(gè)具有一定質(zhì)量的物體，但現(xiàn)有的觀察無(wú)法確定那個(gè)物體的真實(shí)身份?！彼踔链竽懖聹y(cè)，它或許是一種更奇特的存在——一個(gè)在大爆炸中形成的原始黑洞。
原始黑洞
或可讓觀測(cè)疑團(tuán)一目了然
黑洞的時(shí)空區(qū)域非常扭曲，從而產(chǎn)生了不可抵抗的引力，沒有事物可以躲過(guò)這種引力，甚至光都不行。1915年，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論，預(yù)測(cè)會(huì)有黑洞的存在。整整100年后，人們首次探測(cè)到了它們：激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）在引力波里探測(cè)到了兩個(gè)黑洞通過(guò)撞擊合并后產(chǎn)生的微弱波動(dòng)。
從那以后，LIGO又探測(cè)到了好幾十次黑洞的身影，其中很多都是意外發(fā)現(xiàn)。先前，按照理論推斷，根據(jù)對(duì)于周圍物質(zhì)的影響，黑洞可以劃分為兩大類：
最大的是在宇宙各大星系中心發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞。通過(guò)與其他黑洞的融合，超大質(zhì)量黑洞逐漸變成龐然大物，它們的質(zhì)量是地球的數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億倍。
第二類是恒星級(jí)黑洞。它們誕生于大質(zhì)量恒星死亡時(shí)的超新星爆發(fā)中，其中離地球最近的超新星爆發(fā)發(fā)生在1000光年外。恒星級(jí)黑洞的重量一般在5至15個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為L(zhǎng)IGO能發(fā)現(xiàn)這種黑洞。
▲激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）在美國(guó)列文斯頓的部分引力波探測(cè)裝置 （LIGO官網(wǎng)）
在2015年的一次黑洞撞擊事件中，兩個(gè)碰撞的黑洞質(zhì)量分別是35個(gè)和30個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。隨后的探測(cè)又提供了更多不同的黑洞質(zhì)量。GW 190814信號(hào)探測(cè)到一個(gè)大黑洞和一個(gè)小黑洞，大的有約23個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，小的只有約2.6個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。GW190521則發(fā)現(xiàn)了85個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞和66個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞相撞。
比利時(shí)布魯塞爾大學(xué)的宇宙學(xué)家塞巴斯蒂安·克萊斯說(shuō)： “太陽(yáng)系邊緣的觀察結(jié)果很難用天體物理學(xué)解釋清楚，但如果用原始黑洞概念來(lái)想的話，就一目了然了?！?/p>
人們認(rèn)為，原始黑洞的質(zhì)量范圍很廣，小的可以等同于行星和小行星的質(zhì)量。理論上來(lái)說(shuō)，它們形成于宇宙初期，物質(zhì)和能量緊緊地?cái)D在一起，形成一股不斷變化的漩渦，任何干擾都可能使特定區(qū)域超過(guò)臨界密度，從而撞出一個(gè)黑洞。它們的大小取決于各自產(chǎn)生時(shí)的條件，所以會(huì)有很多大小不一的原始黑洞。
第九行星
太陽(yáng)系邊緣神秘的引力源
我們?nèi)绾尾拍苤罎摲谔?yáng)系邊緣的神秘引力源究竟是什么呢？
如果說(shuō)“第九行星”就是黑洞，可能有些牽強(qiáng)。因?yàn)椤暗诰判行恰钡馁|(zhì)量要比LIGO探測(cè)出的黑洞質(zhì)量小很多。目前較為流行的說(shuō)法是，冥王星之外的神秘引力源是來(lái)自一顆質(zhì)量在5至15個(gè)地球質(zhì)量的行星。這是由美國(guó)卡內(nèi)基科學(xué)研究所的斯科特·謝潑德和美國(guó)北亞利桑那大學(xué)的查德·特魯希略在2014年估算得出的結(jié)論。
隨著朔爾茨和他在美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的同事詹姆斯·昂溫對(duì)“第九行星”的了解不斷深入，他們提出了一個(gè)更奇特的想法。
昂溫在美國(guó)芝加哥天文館的一場(chǎng)講座中聽說(shuō)了“第九行星”，聽完之后非常興奮。朔爾茨回憶道： “當(dāng)時(shí)他立馬就打電話給我，說(shuō)'第九行星’的想法很棒，但如果它不是行星又會(huì)是什么呢？”于是，朔爾茨和昂溫從基礎(chǔ)理論出發(fā)，開始了他們的研究，其中就包括了“大行星是如何在離我們恒星這么遠(yuǎn)的地方形成的”。
太陽(yáng)系的行星是由太陽(yáng)周圍的一系列物質(zhì)合并而成的。距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，可以合并的物質(zhì)就越少。就“第九行星”所處的位置來(lái)看，那里的物質(zhì)稀少，應(yīng)該合并不出這么大的行星。
有一種說(shuō)法是， “第九行星”其實(shí)是在離太陽(yáng)較近的地方形成的，只不過(guò)之后被木星或是土星的引力扔到了遠(yuǎn)處。不過(guò)，這說(shuō)法很快就被質(zhì)疑了，因?yàn)闊o(wú)論是土星還是木星，其單方面影響都無(wú)法做到這一點(diǎn)。要確?！暗诰判行恰辈粫?huì)回到原來(lái)的軌道，就必須有更多的影響介入，因此朔爾茨認(rèn)為這個(gè)說(shuō)法太牽強(qiáng)了。
“研究'第九行星’形成，可以發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題。”朔爾茨說(shuō)，在看到更多天文學(xué)家的觀察結(jié)果后，他提出太陽(yáng)系邊緣的神秘質(zhì)量體可能是一個(gè)原始黑洞。
“葡萄柚”黑洞
超短波現(xiàn)象背后的秘密
最初在智利的拉斯坎帕納斯天文臺(tái)進(jìn)行的光學(xué)重力透視實(shí)驗(yàn)（OGLE），可以用微引力透鏡增加亮度來(lái)觀察銀河系中心的恒星——天體的光線被中間物體阻擋后，光線會(huì)發(fā)生彎曲，強(qiáng)度變?nèi)酰袝r(shí)甚至?xí)煌耆趽?。不過(guò)，當(dāng)恒星、地球，以及兩者之間的光線恰好處于同一水平線上時(shí)，恒星和地球的引力就會(huì)聚焦光線，讓恒星看上去更明亮。
2010年到2015年間，OGLE共檢測(cè)出了2600起微引力透鏡現(xiàn)象，其中有6起“超短波現(xiàn)象”，持續(xù)的時(shí)間不超過(guò)半天。波蘭華沙大學(xué)天文臺(tái)的普熱梅克·莫茲和他的同事認(rèn)為，這些“超短波現(xiàn)象”中的恒星在星際間的運(yùn)行方向是自由的，并不受到太陽(yáng)系的約束。但日本東京大學(xué)的新倉(cāng)廣子和他的同事在2019年發(fā)表了一篇論文提出，這些現(xiàn)象也可能是由幾個(gè)地球質(zhì)量的原始黑洞產(chǎn)生。
朔爾茨看了這些論文后認(rèn)為，外太陽(yáng)系的這些小行星“結(jié)盟”，可能意味著在“超短波現(xiàn)象”背后藏著一個(gè)與其相似質(zhì)量的物體。當(dāng)然，這一切也可能只是一個(gè)巧合，但對(duì)于朔爾茨和昂溫來(lái)說(shuō)，這代表了一大片以前從未看到過(guò)的天體， “如果它們不是行星的話，那唯一符合要求的事物就只有原始黑洞了”。
2019年，朔爾茨和昂溫發(fā)表了一篇名為“如果'第九行星’是原始黑洞”的論文，從理論上揭示了一個(gè)直徑只有9厘米的黑洞——大小和一個(gè)葡萄柚差不多。論文還詳細(xì)說(shuō)明了為什么這個(gè)設(shè)想是合理的，這都與“第九行星”（前提是它是一顆行星）進(jìn)入自己的軌道有關(guān)。
如果“第九行星”不是在我們這個(gè)太陽(yáng)系中形成的，那么它要到達(dá)現(xiàn)在的位置，就只有捕捉一個(gè)在其他星系中形成的、可自由漂浮且恰好經(jīng)過(guò)的行星。不少研究團(tuán)隊(duì)用不同方法進(jìn)行了推算，最終得出的結(jié)論是，這種想法不太可能，但也不是絕對(duì)不可能。朔爾茨和昂溫也在論文中表示，捕捉一個(gè)原始黑洞的可能性不大。
宇宙之初
尋找原始黑洞存在的證據(jù)
可以肯定的是，在宇宙中的任何地方都能找到大量的、巨大的黑洞。如果它們還像人們預(yù)期的那樣分布在宇宙的各個(gè)角落，那宇宙學(xué)中一些最大的問(wèn)題也就迎刃而解了。
真正困難的是，我們要找到原始黑洞存在的證據(jù)。以暗物質(zhì)舉例，在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)的大部分時(shí)間里，研究人員一直堅(jiān)信，暗物質(zhì)是由人類未知的粒子所組成：是一種我們不知道但能形成引力，且不和光線互相影響的奇特物質(zhì)?？蛇@么多年過(guò)去了，人們?cè)谔綔y(cè)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)上投入了數(shù)十億美元，依然沒能發(fā)現(xiàn)哪怕一個(gè)暗物質(zhì)粒子。
近年來(lái)，研究人員一直在爭(zhēng)論原始黑洞是否會(huì)由暗物質(zhì)構(gòu)成。克萊斯和西班牙馬德里自治大學(xué)的胡安·加西亞-貝利多用LIGO觀測(cè)到的黑洞融合速度來(lái)推斷原始黑洞的大致個(gè)數(shù)。從他們的估算來(lái)看，這些黑洞的總質(zhì)量確實(shí)能占宇宙總質(zhì)量的很大部分。克萊斯認(rèn)為，原始黑洞可能就是暗物質(zhì)。
原始黑洞是在宇宙誕生后的最初幾分鐘形成的，它們應(yīng)該存有關(guān)于大爆炸后幾秒所發(fā)生事件的信息。這短短幾秒非常關(guān)鍵：自然界的力形成了自身的最終形態(tài)；物質(zhì)、反物質(zhì)和暗物質(zhì)形成了各自的占比；太空被指數(shù)級(jí)的膨脹吞噬……
但這個(gè)時(shí)期是很難研究的。它太久遠(yuǎn)，已超出光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡的目力所及范圍。望遠(yuǎn)鏡至多只能觀察到大爆炸后30萬(wàn)年的情況，再往前的觀測(cè)范圍就被加重的物質(zhì)密度擋住。研究人員也嘗試過(guò)提取這個(gè)時(shí)期的引力波信號(hào)，卻因銀河系中的塵埃影響而失敗。
作為宇宙誕生的遺跡，原始黑洞或許會(huì)改變這一切。加西亞-貝利多說(shuō)：“有了它們，我們能探索過(guò)去發(fā)生的、以前無(wú)法探索的事件?！?/p>
這些事件發(fā)生在不同時(shí)期，從理論上來(lái)說(shuō)，它們和原始黑洞不同的質(zhì)量有關(guān)。而且，每個(gè)事件都會(huì)影響那個(gè)瞬間產(chǎn)生的原始黑洞的數(shù)量。所以，對(duì)比不同質(zhì)量的黑洞，我們就可推斷那個(gè)時(shí)候發(fā)生了什么。比如，如果“第九行星”是原始黑洞，那么它的質(zhì)量表明，它可能是在電磁與弱核力分離的弱電轉(zhuǎn)變時(shí)期產(chǎn)生的。
但現(xiàn)在還不是研究宇宙歷史的時(shí)候。我們首先要證明的是，太陽(yáng)系邊緣真的有黑洞。這意味著，我們要先采用不同的方法來(lái)尋找有可能是黑洞的行星。
光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是看不到黑洞的。X射線望遠(yuǎn)鏡有可能會(huì)看到，因?yàn)槿魏温淙牒诙吹奈矬w都會(huì)升溫，發(fā)出一道X射線波長(zhǎng)的亮光。但問(wèn)題是，這些光是稍縱即逝的，想要看到它們，我們必須在準(zhǔn)確的時(shí)間觀察準(zhǔn)確的位點(diǎn)。還有一種能給出穩(wěn)定X射線信號(hào)的方法，外來(lái)的暗物質(zhì)粒子在與其他粒子碰撞時(shí)，會(huì)釋放出穩(wěn)定的X射線或者伽馬射線。暗物質(zhì)會(huì)聚集在黑洞周圍，當(dāng)黑洞沿著它的軌道運(yùn)行時(shí)，這些粒子相互接觸所釋放的射線就能被人類觀察到。
太陽(yáng)帆設(shè)想
千方百計(jì)解開“后院”謎團(tuán)
或許捕捉黑洞最好的方法是尋找它的大量產(chǎn)物——引力。
美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的斯拉瓦·托拉謝夫?yàn)榇俗隽舜罅繉?shí)驗(yàn)。他建議用一組小型的航天器去探測(cè)這種引力的來(lái)源，如果小型航天器偏離了預(yù)定軌道，那就意味著在那里存在一個(gè)行星或者黑洞之類的大型天體。這就給我們提供了一個(gè)精準(zhǔn)的方位，如果我們?cè)谀莻€(gè)方位上看到的是光點(diǎn)，那就是行星；如果沒光點(diǎn)，那就是黑洞。
托拉謝夫和同事在近期一篇論文中表示，微型衛(wèi)星和太陽(yáng)帆能完成這項(xiàng)任務(wù)：太陽(yáng)帆不需要燃料，它們把落在帆上的光壓轉(zhuǎn)換成動(dòng)能驅(qū)動(dòng)航天器。帶有太陽(yáng)帆的微型衛(wèi)星先前往太陽(yáng)周邊，以獲得充足的能量，使之足以維持微型衛(wèi)星在海王星軌道上平穩(wěn)行駛一年。托拉謝夫認(rèn)為，這比用化學(xué)推進(jìn)劑的速度快10倍。
目前，這類任務(wù)還處于設(shè)想階段。事實(shí)上，一些天文學(xué)家到現(xiàn)在都不相信有“第九行星”的存在。數(shù)月前，美國(guó)密歇根大學(xué)的凱文·內(nèi)皮爾和同事一起發(fā)表了一項(xiàng)分析，他們通過(guò)矮行星的合并推斷出“第九行星”只是數(shù)據(jù)假象，隨著更多更好的數(shù)據(jù)出現(xiàn)，“第九行星”會(huì)逐漸消失。
▲位于智利的薇拉·魯賓天文臺(tái)（該天文臺(tái)官網(wǎng)）
現(xiàn)在，我們要做的研究是探究外太陽(yáng)系的小型冰天體，判斷在那里是否有“第九行星”或是其他東西存在。而去年底在智利開始運(yùn)行的薇拉·魯賓天文臺(tái)很快就能告訴我們答案——這個(gè)天文臺(tái)可以找到太陽(yáng)系外數(shù)萬(wàn)個(gè)小型冰天體，這樣研究人員能得到更多的樣本。通過(guò)這些冰天體，天文學(xué)家能判斷那里是否有行星質(zhì)量的物體存在，并且預(yù)測(cè)出它的準(zhǔn)確位置加以觀察。
如果看到的是一顆行星，那將會(huì)是一件了不起的發(fā)現(xiàn)。如果沒有看到任何東西，但是異常引力還在，那太陽(yáng)帆就可以上場(chǎng)了。
作者：江澤珍/編譯
編輯：許琦敏
責(zé)任編輯：任荃
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