黑洞就藏在我們的“后院”？

石無魚

在外太陽(yáng)系，在冥王星以外的空間，是一片廣闊的荒野。大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為那里居住著一群類似冥王星的矮行星。如果事情僅僅如此，那是沒什么稀奇的，因?yàn)檫@一切都不出我們所料。

但是，天文學(xué)家在那里發(fā)現(xiàn)了某些奇怪的現(xiàn)象。譬如，某些矮行星的運(yùn)動(dòng)軌道平面齊刷刷地指向同一個(gè)方向，好像一群衛(wèi)兵向長(zhǎng)官敬禮。

為了解釋這種現(xiàn)象，他們假設(shè)存在著這么一顆太陽(yáng)系第九大行星——“行星九”，正是它的引力使得那些矮行星的軌道平面朝向如此一致。根據(jù)估算，這顆行星有5～15倍的地球質(zhì)量。

但這個(gè)假設(shè)又面臨著一個(gè)難題，即如何解釋這顆行星的來源。我們知道，太陽(yáng)系所有的行星、小行星都是在圍繞太陽(yáng)的一個(gè)原始星盤中形成的。離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，物質(zhì)越稀薄。在“行星九”所處的那么遠(yuǎn)的位置，根本沒有足夠的材料來形成這么大塊頭的東西。

另有一種解釋說，“行星九”也許形成于更接近太陽(yáng)的地方，然后由于碰撞等原因，被碰到了太陽(yáng)系的外圍。但這種解釋也有個(gè)問題，因?yàn)橐淮闻鲎菜坪鯚o法完成此項(xiàng)工作，需要通過一系列接力賽一樣的碰撞，才能把“行星九”被碰到那么遠(yuǎn)的地方。

在英國(guó)的理論物理學(xué)家雅可比·斯科爾茨看來，要經(jīng)過這么多環(huán)環(huán)相扣地朝同一個(gè)方向的碰撞，也太巧了。他認(rèn)為，我們不妨考慮考慮別的解釋，比如說那是一個(gè)黑洞——只不過那不是我們通常熟悉的黑洞，而是一個(gè)原始黑洞。

那么，什么叫“原始黑洞”？它跟我們通常說的黑洞有什么區(qū)別？這就要從黑洞的分類說起。

黑洞是宇宙中的“怪獸”，沒有任何東西，包括光，能逃脫它們強(qiáng)大的引力。它們是愛因斯坦在上世紀(jì)就預(yù)言的天體。但直到2015年，激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到引力波，黑洞才首次被直接探測(cè)到，因?yàn)榇艘Σㄕ怯蓛蓚€(gè)黑洞碰撞、合并時(shí)發(fā)出的。此后，LIGO又通過類似辦法在宇宙空間探測(cè)到50多個(gè)黑洞。

傳統(tǒng)理論上的黑洞，按其質(zhì)量可分為兩類。一類是盤踞在每個(gè)星系中心的超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百萬倍甚至數(shù)十億倍。它們大概是由一些較小黑洞通過合并，變成龐然大物的。

另一類是恒星級(jí)質(zhì)量的黑洞。它們是大質(zhì)量恒星在其生命結(jié)束時(shí)，在一場(chǎng)爆炸中（即超新星爆發(fā)）坍塌而成的。離地球最近的黑洞可能就屬于此類，它大約在1000光年之外。

但天文學(xué)家確信，就黑洞的形成方式而言，還應(yīng)該存在第三類黑洞，即原始黑洞。它們是在宇宙大爆炸之初形成的。我們可以試想，在宇宙誕生之初，所有物質(zhì)都擠在如此狹小的空間，倘若沒有膨脹作用力的支撐（我們不妨稱其為膨脹力），那么，在引力作用下，所有物質(zhì)又會(huì)很快坍塌回一個(gè)奇點(diǎn)。

激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）

可是，具體到任何一塊空間，物質(zhì)密度也并非一成不變，而是時(shí)刻處于漲落之中，一會(huì)兒密度大一點(diǎn)，一會(huì)兒密度小一點(diǎn)，像水蒸氣形成云一樣。漲落的時(shí)間、地點(diǎn)，以及幅度多大，都是完全隨機(jī)的。假如某塊區(qū)域漲落過大，物質(zhì)過于密集，其引力超過了膨脹力，那么這塊區(qū)域的物質(zhì)完全可以坍塌成一個(gè)黑洞。這樣形成的黑洞叫原始黑洞。

原始黑洞的大小取決于漲落幅度，因?yàn)闈q落是隨機(jī)的，所以原始黑洞的質(zhì)量范圍可以很廣，大到數(shù)百數(shù)千個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，小到行星或小行星級(jí)質(zhì)量。

LIGO迄今發(fā)現(xiàn)的黑洞，其質(zhì)量大多介于5～15倍太陽(yáng)質(zhì)量，但最早探測(cè)到的兩個(gè)黑洞，一個(gè)約為太陽(yáng)質(zhì)量的35倍，另一個(gè)約為太陽(yáng)質(zhì)量的30倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他黑洞，比較另類。這樣另類的黑洞碰撞還有兩次，一次涉及23倍太陽(yáng)質(zhì)量和約2.6倍太陽(yáng)質(zhì)量的兩個(gè)黑洞相碰;另一次相碰的兩個(gè)黑洞，分別為太陽(yáng)質(zhì)量的85倍和66倍。當(dāng)然，不管普通也罷，另類也罷，這些黑洞就其質(zhì)量而言，都屬于恒星級(jí)黑洞。但也有人懷疑，所有這些黑洞質(zhì)量差別如此之大，可能其中有一些是原始黑洞。換句話說，它們并非形成于恒星坍塌，而是形成于大爆炸?？上?，我們目前還沒辦法甄別出來。

從宇宙誕生到誕生之后的幾分鐘，都具備原始黑洞形成的條件，所以它們?cè)谀嵌虝旱臅r(shí)間里，一直在形成。它們也會(huì)對(duì)大爆炸后幾分之一秒內(nèi)發(fā)生的許多事件產(chǎn)生影響。這些事件包括：大自然的四種基本作用力正彼此分道揚(yáng)鑣（在更高的能量下，它們本來是統(tǒng)一的），呈現(xiàn)出我們現(xiàn)在所看到的最終形式;普通物質(zhì)和暗物質(zhì)各自的比例被確定下來;空間本身則經(jīng)歷了一場(chǎng)指數(shù)式的暴脹。

然而，調(diào)查這個(gè)階段發(fā)生的事情是非常困難的。光學(xué)和射電望遠(yuǎn)鏡永遠(yuǎn)看不到那么遠(yuǎn)的地方。因?yàn)楦鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，宇宙大爆炸結(jié)束后即進(jìn)入“黑暗時(shí)代”。那時(shí)的物質(zhì)密度是如此之大，光子在傳播了很小一段距離后便會(huì)與其他光子或粒子相撞，形成新的粒子與反粒子（如電子-正電子對(duì)）。這種情況下，光不能長(zhǎng)距離傳播。所以，這個(gè)時(shí)期的宇宙根本就透不出光來。要等到宇宙繼續(xù)膨脹，物質(zhì)密度降低，光才有長(zhǎng)距離傳播的可能，但那要等到大約30萬年之后了。

但探測(cè)宇宙的早期階段，對(duì)于理解宇宙的形成又是如此重要。前幾年，有一個(gè)小組興奮地宣布他們探測(cè)到了這一時(shí)期產(chǎn)生的引力波信號(hào)，可惜空歡喜一場(chǎng)，事后證明那不過是銀河系中塵埃的干擾信號(hào)。

原始黑洞作為宇宙誕生最初即留下的遺跡，或許能提供一種手段，可以讓我們追溯那些沒有其他方法可以探測(cè)的事件。這些事件發(fā)生在不同時(shí)期。因此，根據(jù)理論預(yù)

測(cè)，這些不同時(shí)期中形成的原始黑洞，其質(zhì)量會(huì)有所不同（譬如，隨著時(shí)間推移，宇宙在膨脹，物質(zhì)密度在降低，形成大質(zhì)量原始黑洞的可能性就在不斷降低）。此外，每一個(gè)事件都會(huì)影響在那一瞬間形成的原始黑洞的數(shù)量。所以，比較不同質(zhì)量的原始黑洞數(shù)量，應(yīng)該能告訴我們當(dāng)時(shí)發(fā)生了什么事情。

另外，原始黑洞的存在，使科學(xué)家聯(lián)想到暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)這種神秘的物質(zhì)與普通物質(zhì)除了引力，沒有別的相互作用。它們占據(jù)了宇宙中物質(zhì)總質(zhì)量的85%。它們還是塑造星系的“腳手架”，正是它們的引力，把組成星系的普通物質(zhì)吸聚在一起。但它們到底是什么呢？在過去半個(gè)世紀(jì)里，研究人員一直都在尋找暗物質(zhì)粒子，但兩手空空，一無所獲。

近年來，一些研究人員在考慮暗物質(zhì)是否可能就是原始黑洞。有人利用LIGO觀測(cè)到的黑洞合并的概率，計(jì)算出原始黑洞可能存在的數(shù)量。他們的估計(jì)表明，原始黑洞差不多可以填補(bǔ)暗物質(zhì)所占的份額。所以他們猜測(cè)，原始黑洞可能就是暗物質(zhì)。

話說回來，如果“行星九”真是一個(gè)原始黑洞，意味著我們不能用以往尋找行星的方法，而是需要新的搜索方法（因?yàn)榧幢闼且活w行星，我們目前也沒有搜到），就是用探測(cè)黑洞的辦法去找它。

如何用探測(cè)黑洞的辦法去找“行星九”呢？光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是永遠(yuǎn)看不到一個(gè)黑洞的。X射線望遠(yuǎn)鏡有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)黑洞，因?yàn)槿魏温淙牒诙吹奈镔|(zhì)都會(huì)加熱，并發(fā)出X射線脈沖。問題是這些閃光轉(zhuǎn)瞬即逝，需要我們?cè)谡_的時(shí)間朝正確的方向觀察才能發(fā)現(xiàn)。

還有一種發(fā)出穩(wěn)定的X射線的可能，但依賴于一個(gè)假設(shè)：即原始黑洞是由暗物質(zhì)組成的，而且組成暗物質(zhì)的粒子是一種奇異粒子，它的反粒子是它自身，因此暗物質(zhì)粒子與暗物質(zhì)粒子接觸時(shí)，會(huì)相互湮滅。因?yàn)樵诤诙匆ψ饔孟?，暗物質(zhì)傾向于聚集在黑洞周圍，暗物質(zhì)比較集中，所以湮滅時(shí)，將穩(wěn)定發(fā)射X射線或伽馬射線。而且，當(dāng)黑洞運(yùn)行時(shí)，這些射線也將在天空中移動(dòng)。

不過上述說法太依賴于暗物質(zhì)的性質(zhì)了，而目前暗物質(zhì)八字都還沒一撇。也許捕捉原始黑洞最好的方法還是借助于宇宙中最豐富的東西——引力。

最近，有科學(xué)家建議，用一隊(duì)太陽(yáng)帆來探測(cè)外太陽(yáng)系神秘引力的來源。他們的想法是，向“行星九”所在的區(qū)域派遣一隊(duì)太陽(yáng)帆。太陽(yáng)帆不需要燃料，它們僅僅依靠太陽(yáng)光照射在帆上產(chǎn)生的壓力來驅(qū)動(dòng)。太陽(yáng)帆可以從太陽(yáng)光那里得到強(qiáng)大的推力，足以在大約一年內(nèi)駛到海王星軌道。當(dāng)它們到達(dá)指定區(qū)域時(shí)，任何與預(yù)期軌跡的偏差可能會(huì)揭示那里大質(zhì)量天體——不論是行星或黑洞——的存在。它們將為我們的望遠(yuǎn)鏡提供一個(gè)精確的定位。然后，如果望遠(yuǎn)鏡看到一點(diǎn)光，那就是行星;如果什么都沒看到，那就是黑洞。

總之，探測(cè)“行星九”意義重大。如果“行星九”確實(shí)是一個(gè)黑洞，根據(jù)計(jì)算，它的質(zhì)量只有行星量級(jí)，那么它的直徑只有9厘米，大致相當(dāng)于一個(gè)大蘋果。顯然，這樣的黑洞只能是原始黑洞。那也就順便證實(shí)了原始黑洞這種古老天體的存在，而這將可以一次性解決宇宙學(xué)中幾個(gè)最大的難題，其中包括解決暗物質(zhì)的奧秘。

太陽(yáng)帆