我們的后院里是不是有個(gè)黑洞？

天體物理學(xué)家最近開始醞釀?dòng)?jì)劃以查明第九行星究竟有多奇怪。

藝術(shù)家描繪的第九行星概念圖。第九行星是一個(gè)尚未為我們觀測到的天體，有觀點(diǎn)認(rèn)為，它在距太陽320億千米遠(yuǎn)處繞后者運(yùn)動(dòng)。部分天文學(xué)家認(rèn)為，第九行星或許是一個(gè)乒乓球大小的黑洞

除了幻想一個(gè)距我們“咫尺之遙”的黑洞，天體物理學(xué)家在這次疫情大流行期間還能干什么呢？

雖然這個(gè)想法很可能只是一廂情愿，但確實(shí)有一些天文學(xué)家認(rèn)為，我們太陽系的外部邊緣藏匿著一個(gè)黑洞。整個(gè)夏天，他們都在討論，如果它確實(shí)在那兒要怎么尋找、找到之后怎么辦，并且提出了只能算是半吊子的計(jì)劃。

對(duì)太陽系邊緣存在黑洞的懷疑始于2016年。當(dāng)時(shí)，加州理工學(xué)院的兩位天文學(xué)家邁克爾·布朗（Michael Brown）和康斯坦丁·巴特金（Konstantin Batygin）提出，冥王星軌道外側(cè)幾十億千米處一些雪球的奇怪運(yùn)動(dòng)可以證明，那個(gè)地方的黑暗之中隱藏著一個(gè)此前不為我們所知、我們甚至都沒有想到過的天體。

按照他倆的計(jì)算，這個(gè)天體的質(zhì)量大概是地球的10倍，軌道呈橢圓形，距太陽最近時(shí)僅有320億千米之遙——只是冥王星與太陽距離的數(shù)倍而已——最遠(yuǎn)時(shí)（每隔10 000～20 000年）大概距太陽1 600億千米。

“我們不知道它現(xiàn)在運(yùn)行到軌道的哪里了，這很糟糕?！辈祭什┦吭凇都~約時(shí)報(bào)》采訪時(shí)如是說。

布朗博士把這個(gè)假想中的天體稱為第九行星，這個(gè)名字很是諷刺。就在不久之前，冥王星還是第九行星，但布朗博士等人在柯伊伯帶（那是一個(gè)極其寒冷的地方，里面滿是做繞日運(yùn)動(dòng)的臟球，冥王星也在柯伊伯帶中）發(fā)現(xiàn)了其他幾個(gè)與冥王星相當(dāng)?shù)木用瘢@成了15年前冥王星降格成為矮行星的主要原因。

不用多說，你就知道，沒有人在望遠(yuǎn)鏡中看到過這樣一個(gè)天體。

2019年，另兩位天文學(xué)家——英國杜倫大學(xué)的雅各布·舒爾茨（Jakub Scholtz）和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校詹姆斯·昂溫（James Unwin）——提出，第九行星實(shí)際上是個(gè)黑洞，但并不是一般的黑洞。

黑洞是阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）方程組預(yù)言的引力怪物，一種密度大到即便是光也無法逃脫的天體，也就是說，前往黑洞之旅是一條通往末日的單行道。天文學(xué)家知道，這類天體的確存在。激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）和室女座引力波天文臺(tái)（Virgo）已經(jīng)聽到了黑洞（恒星死亡、坍縮后的引力外殼）在宇宙的黑暗中互相碰撞的聲音。部分宇宙學(xué)家認(rèn)為，黑洞占據(jù)了整個(gè)宇宙質(zhì)量的25%，并且可能是“暗物質(zhì)”的主要組成部分之一——大名鼎鼎又神秘莫測的暗物質(zhì)決定了我們?cè)谔炜罩锌吹降囊Y(jié)構(gòu)。

不過，黑洞的產(chǎn)生并不一定需要恒星死亡。1971年，史蒂芬·霍金借鑒了蘇聯(lián)物理學(xué)家雅科夫·澤爾多維奇（Yakov Borisovich Zel’dovich）和伊戈?duì)枴ぶZ維科夫（Igor Dmitriyevich Novikov）的觀點(diǎn)，并提出：大爆炸之初的極高壓可以直接把物質(zhì)壓縮成黑洞。那些原初黑洞可以是任意大小，也可能出現(xiàn)在宇宙的任何地方。地球質(zhì)量的黑洞大概只有一枚乒乓球那么大，并且極其難以觀測。

到目前為止，我們還沒探測到任何這類原初黑洞，但也沒有排除它們存在的可能性。舒爾茨博士和昂溫博士指出，以波蘭華沙大學(xué)為主體開展的一項(xiàng)名叫OGLE的實(shí)驗(yàn)（Optical Gravitational Lensing Experiment，光學(xué)引力透鏡實(shí)驗(yàn)）已經(jīng)在我們銀河系中心的方向上探測到了6個(gè)黑暗天體。它們的引力場起到了透鏡那樣的作用，可以短暫地放大從遙遠(yuǎn)恒星來到它們面前的光。

論文作者稱，這些天體可能是自由漂浮的行星，質(zhì)量范圍在0.5～20個(gè)地球質(zhì)量。不過，天文學(xué)家認(rèn)為，它們也很可能是游蕩在星系中的原初黑洞。如果事實(shí)的確如此，那么假想中的第九行星也很可能是位于遙遠(yuǎn)繞日軌道上的一個(gè)黑洞。

要怎么發(fā)現(xiàn)這些“宇宙乒乓球”

2016年，紐約，宇宙學(xué)家史蒂芬·霍金和風(fēng)投資本家尤里·米爾納在一場新聞發(fā)布會(huì)上公布了他們的突破攝星計(jì)劃

如果一切真如這些天文學(xué)家所想，那么第九行星就將成為距地球最近的黑洞。雖然這兩個(gè)天體之間仍有無數(shù)光年之遙，但在天文學(xué)尺度上，這個(gè)距離已經(jīng)近到人類可以想辦法發(fā)送機(jī)器前去探測的程度了，就像“新視野號(hào)”探測器飛掠冥王星以及距我們64億千米之遙、如今叫作“天空”（Arrokoth）的那座啞鈴冰山一樣。

然而，我們先得找到第九行星。今年早些時(shí)候，普林斯頓高等研究院的理論物理學(xué)家愛德華·威滕（Edward Witten）也加入了討論之中。威滕博士是少有的獲得過著名數(shù)學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)菲爾茲獎(jiǎng)的物理學(xué)家。他的知名工作有許多，其中之一就是他對(duì)所謂“萬物理論”（頗有爭議）弦論的研究。威滕博士提出了借鑒突破攝星計(jì)劃的想法。突破攝星計(jì)劃由俄羅斯慈善家尤里·米爾納（Yuri Milner）和霍金博士提出，主要內(nèi)容是發(fā)送數(shù)千枚激光驅(qū)動(dòng)的顯微探針前往距我們最近的恒星系，半人馬座α。

威滕博士提出，我們也可以仿效突破攝星計(jì)劃，以地球?yàn)橹行?，向外發(fā)射數(shù)百枚類似的小探測器，在各個(gè)方向上探索太陽系。通過追蹤探測器傳回的信號(hào)，身處地球的科學(xué)家就可以判斷探測器是否因遭遇第九行星或其他任何未知天體的引力場而加速或減速，并且掌握它們?cè)庥錾鲜鎏祗w的準(zhǔn)確時(shí)間。

這個(gè)計(jì)劃的關(guān)鍵是，探測器有沒有能力每隔十萬分之一秒就精準(zhǔn)地向地球發(fā)回信號(hào)。今年5月，馬里蘭大學(xué)的天文學(xué)家斯科特·勞倫斯（Scott Lawrence）和齊夫·羅格斯津斯基（Zeeve Rogoszinski）提出，改用高精度射電望遠(yuǎn)鏡監(jiān)控探測器的運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣探測器上就不用搭載高精度時(shí)鐘了。

“如此種種，都基于一個(gè)樂觀的前提：第九行星確實(shí)存在且確實(shí)是一個(gè)黑洞，”威滕博士在一封電子郵件中寫道，“然后，就需要足夠成熟的技術(shù)，讓尺度適宜的突破攝星計(jì)劃成為可能?！?/p>

威滕的同事尼馬·阿卡尼-哈默德（Nima Arkani-Hamed）同樣也是著名弦理論學(xué)家，他在一封電子郵件中稱這些想法：“相當(dāng)未來主義，但確實(shí)很酷！”

維拉·魯賓來幫忙

同樣是今年5月，哈佛大學(xué)天文學(xué)系主任、突破攝星科學(xué)顧問委員會(huì)主席阿維·勒布（Avi Loeb）給這個(gè)白日夢(mèng)潑了一盆冷水。他和高麗大學(xué)科學(xué)技術(shù)系的黃添（Thiem Hoang）在文章中提出，星際介質(zhì)（游蕩在行星與恒星之間的稀薄帶電氣體）的摩擦效應(yīng)以及電磁力會(huì)淹沒第九行星引力效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)。

不過，很少有聽上去頗為科幻的理論或項(xiàng)目勾不起勒布博士的興趣。他在天文學(xué)圈子里最為出名的事就是認(rèn)為，天文學(xué)家應(yīng)該認(rèn)真思考這樣一種可能：2017年，從星際空間中飄過太陽系的彗星狀天體奧陌陌其實(shí)是一個(gè)外星空間探測器。

坐落于智利帕瓊山山頂?shù)木S拉·魯賓天文臺(tái)

于是，今年7月，勒布博士帶著學(xué)生阿米爾·西拉杰（Amir Siraj）和一個(gè)尋找第九行星黑洞的新想法又回到了討論之中。他們提出，如果那里真的有一個(gè)黑洞，那么它偶爾會(huì)撕裂小彗星，產(chǎn)生足以為嶄新的維拉·魯賓天文臺(tái)探測到的明亮火焰。選址于智利的維拉·魯賓天文臺(tái)現(xiàn)在仍在建造之中，之前為人們熟知的名字是“大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡”。這座天文臺(tái)預(yù)計(jì)于2021年投入使用，目標(biāo)是拍一部宇宙電影，每隔幾天就生成一幅全南半球夜空的全景圖，天空中的任何變化都會(huì)在維拉·魯賓天文臺(tái)的火眼金睛下顯露無遺。

他倆還特別強(qiáng)調(diào)，這種火焰應(yīng)該在一年中會(huì)出現(xiàn)數(shù)次?！拔覀兊挠?jì)算表明，這類火焰的明亮程度足以讓維拉·魯賓天文臺(tái)在一整年的巡天監(jiān)測任務(wù)中確認(rèn)第九行星就是黑洞，或者排除這種可能?！崩詹疾┦吭谝环怆娮余]件中寫道。

此外，他倆還表示，由于維拉·魯賓望遠(yuǎn)鏡能夠檢視很大一片天區(qū)，它能探測到小尺寸黑洞（或排除這種可能）的范圍可以擴(kuò)展至奧爾特云——奧爾特云距太陽數(shù)萬億千米，是一片邊界模糊、密度較低的區(qū)域，主要由原始彗星以及太陽系形成之初留下的冰冷原始物質(zhì)構(gòu)成。

能在我們自己的太陽系內(nèi)找到黑洞，簡直就像“找到某個(gè)人一直生活在自家后院陰暗處的證據(jù)一樣令人震驚，”勒布博士在電子郵件中說，“如果事實(shí)就是這樣，那么他究竟是誰？又是怎么來的？”

黑洞還是漢堡？

如果這個(gè)理論得到證實(shí)，那么我們?nèi)祟愃妓靼l(fā)送探測器實(shí)地研究本地黑洞的想法就不再瘋狂。倘若成行，探測器能在那兒發(fā)現(xiàn)什么呢？

許多天體物理學(xué)家和引力理論專家的至高目標(biāo)就是檢驗(yàn)霍金博士46年前提出的一個(gè)預(yù)言：雖然名字叫作黑洞，但這種天體能以熱的形式向外輻射能量。這個(gè)預(yù)言刻在西敏寺內(nèi)霍金博士的墓碑（離牛頓和達(dá)爾文的墓不遠(yuǎn)）上。幾乎所有天體物理學(xué)家都認(rèn)為，這個(gè)預(yù)言最終會(huì)得到證實(shí)，但這一愿景目前還未實(shí)現(xiàn)。對(duì)LIGO和Virgo探測到的那種巨型黑洞而言，這種熱輻射效應(yīng)微乎其微，因而幾乎不可能被我們識(shí)別。不過，黑洞越小，溫度就越高，并且在收縮時(shí)會(huì)變得更熱，直到最后爆炸。

按照威滕博士的估算，質(zhì)量達(dá)到6個(gè)地球左右的黑洞，溫度大約是0.04K。這比外層空間的環(huán)境溫度（大約3K）還要低，完全無法在地球上探測到。

藝術(shù)家描繪的柯伊伯帶（部分）概念圖，柯伊伯帶天體的怪異運(yùn)動(dòng)先是讓天文學(xué)家想到了存在第九行星的可能

“近距離測量黑洞是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，”威滕博士強(qiáng)調(diào)，“但到21世紀(jì)末的時(shí)候，這也并不是一個(gè)完全無法企及的目標(biāo)。”

他補(bǔ)充說：“我認(rèn)為，我們需要的是一種質(zhì)量大到足以環(huán)繞黑洞運(yùn)動(dòng)并且對(duì)其進(jìn)行細(xì)致研究的探測器，而不是那種只是飛掠而過的小型探測器。”

幾年前，在哈佛大學(xué)黑洞計(jì)劃的討論中談及黑洞實(shí)地考察一事時(shí)，勒布博士還開了另一種可能性的玩笑。他在一封電子郵件中回憶當(dāng)時(shí)的情景說：“既然黑洞提供了一種罕有的能夠檢驗(yàn)弦理論的環(huán)境，我推薦我那些研究這個(gè)理論的朋友們進(jìn)入那個(gè)黑洞的視界，親自檢驗(yàn)弦理論。聽眾席上的阿卡尼-哈默德大喊，‘我肯定在醞釀一個(gè)送弦理論物理學(xué)家前往黑洞的隱秘計(jì)劃?！?/p>

目前，最后一個(gè)對(duì)這個(gè)項(xiàng)目發(fā)聲的是第九行星的提出者布朗博士。我聯(lián)系上他時(shí)，他坦承，第九行星的確有可能是一個(gè)黑洞?！暗@沒有意義，”他說，“我猜，它也有可能是一個(gè)6倍地球質(zhì)量的漢堡?！?/p>

布朗博士還補(bǔ)充說：“好消息是，第九行星真的不太可能是黑洞，但一旦我們找到了這個(gè)天體，仍然可以用目前討論的這些探測器展開實(shí)地考察?！?/p>