后院黑洞

劉聲遠(yuǎn)

在比太陽(yáng)系巨行星所在位置更遠(yuǎn)的太陽(yáng)系外圍（外太陽(yáng)系），有一片極其巨大的“荒野”。大多數(shù)天文學(xué)家相信，那里有眾多與冥王星相似的含冰小天體——矮行星，而且多個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)一直在致力于尋找它們。在此過(guò)程中，一些科學(xué)家開始相信那里還有一顆更大、質(zhì)量是地球多倍的隱藏天體——第九號(hào)行星。

這些科學(xué)家指出，之所以推測(cè)第九號(hào)行星是存在的，是因?yàn)樗囊δ芙忉屢恍┖√祗w的排列方式：這些小天體之所以這樣排列，很可能是由于受這顆行星的引力控制。但問題是，沒有人敢想象：如果真有一顆這么大的行星，它又怎么可能在如此遠(yuǎn)離太陽(yáng)的地方形成？英國(guó)天文學(xué)家索爾茲說(shuō)，科學(xué)家目前只知道太陽(yáng)系外圍應(yīng)該有大天體存在，但現(xiàn)有的觀測(cè)未能揭示它的身份。如果它不是一顆行星，那么它是什么？索爾茲推測(cè)：它有可能是一個(gè)形成于宇宙大爆炸時(shí)期的原始黑洞。

九號(hào)行星的假想運(yùn)行軌道（橙色），紫色為受其引力影響的小行星軌道

如果索爾茲的推測(cè)正確，那就會(huì)是一個(gè)極其驚人的大發(fā)現(xiàn)。原始黑洞將讓我們更好地了解宇宙初期。讓星系能夠成形而不至于散架的物質(zhì)是神秘的暗物質(zhì)，而原始黑洞有可能由暗物質(zhì)組成。果真如此嗎？對(duì)這類問題的極大好奇，驅(qū)使宇宙學(xué)家一直在尋找原始黑洞。但無(wú)人敢設(shè)想在太陽(yáng)系的“后院”——太陽(yáng)系外圍存在原始黑洞。

九號(hào)行星可能是一個(gè)原始黑洞

兩類黑洞

現(xiàn)在的問題是：怎樣確定潛伏在外太陽(yáng)系的神秘引力源究竟是什么？

黑洞是非常扭曲的時(shí)空區(qū)域，它們的引力讓任何物質(zhì)都無(wú)法抗拒：包括光線在內(nèi)，無(wú)論什么物質(zhì)都無(wú)法逃避黑洞的引力。黑洞的存在，是基于愛因斯坦在1915年提出的廣義相對(duì)論。在剛好100年后的2015年，激光干涉儀引力波天文臺(tái)（簡(jiǎn)稱LIGO）觀測(cè)到由兩個(gè)黑洞相撞、合并而產(chǎn)生的微弱的時(shí)空漣漪（引力波），才首次證實(shí)黑洞的存在。

黑洞的存在可以從理論上和從它們對(duì)附近物質(zhì)的影響而推測(cè)出，并可以分為兩類。其中最大的黑洞，是發(fā)現(xiàn)于宇宙中每個(gè)星系（包括銀河系）中央的超大質(zhì)量黑洞。這類黑洞由其他黑洞合并而成，其質(zhì)量是太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)乃至數(shù)十億倍。

激光干涉儀天文臺(tái)（LIGO）

LIGO——巨大的干涉儀

第二類黑洞是恒星黑洞，它們形成于大質(zhì)量恒星在生命終點(diǎn)的巨大爆發(fā)。與地球距離最近的恒星黑洞，位于大約1000光年外。恒星黑洞的質(zhì)量一般為太陽(yáng)的5～15倍，大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為L(zhǎng)IGO能發(fā)現(xiàn)的正是恒星黑洞。但LIGO在2015年的發(fā)現(xiàn)，表明那兩個(gè)相撞的黑洞的質(zhì)量分別為太陽(yáng)的大約35倍和30倍。

后續(xù)探測(cè)所發(fā)現(xiàn)的信號(hào)表明的黑洞質(zhì)量更讓人匪夷所思。例如，GW90814信號(hào)表明兩個(gè)相撞黑洞中一個(gè)的質(zhì)量為太陽(yáng)的大約23倍，而另一個(gè)只有2.6倍。GW190521信號(hào)表明兩個(gè)相撞黑洞中一個(gè)的質(zhì)量為太陽(yáng)的大約85倍，另一個(gè)約為66倍。這類觀測(cè)結(jié)果用天體物理學(xué)傳統(tǒng)模型難以解釋，而用原始黑洞卻能很好解釋。為什么這么說(shuō)？

黑洞合并（示意圖）

GW190521 信號(hào)解讀圖

可大可小

回到上段末的問題。答案是原始黑洞的質(zhì)量被認(rèn)為可大可小，甚至可小到只有行星或小行星的質(zhì)量。理論上說(shuō)，原始黑洞形成于宇宙初期。那時(shí)的宇宙是一個(gè)由物質(zhì)和能量組成、被擠壓得非常厲害的移動(dòng)的大漩渦，任何擾動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致一個(gè)特定區(qū)域的密度失衡，最終導(dǎo)致該區(qū)域變成黑洞。其中每個(gè)黑洞的大小取決于該黑洞誕生時(shí)的環(huán)境狀況。因此，宇宙中應(yīng)該存在各種大小的大量原始黑洞。

然而，這仍然無(wú)法支持第九號(hào)行星是一個(gè)原始黑洞的說(shuō)法，因?yàn)樗馁|(zhì)量根本比不上LIGO所揭示的原始黑洞的質(zhì)量。目前的傳統(tǒng)理論認(rèn)為，位于冥王星軌道外的神秘引力源是一顆質(zhì)量為地球的5～15倍的行星。2014年，兩名美國(guó)科學(xué)家首次提出了這個(gè)估計(jì)值。

但是，隨著索爾茲及其同事昂文對(duì)這種第九號(hào)行星假說(shuō)思考得越多，他們?cè)絻A向于猜測(cè)所謂的第九號(hào)行星應(yīng)該是一個(gè)原始黑洞。多年前，昂文在美國(guó)的一次會(huì)議上聽到了第九號(hào)行星這個(gè)說(shuō)法，興奮得立即給索爾茲打電話：“它真可能是一顆行星，但如果不是，又會(huì)是什么？”

他和索爾茲之所以懷疑那不會(huì)是一顆行星，是因?yàn)樵陔x太陽(yáng)那么遠(yuǎn)的地方根本不可能形成一顆大行星。太陽(yáng)系行星是從環(huán)繞太陽(yáng)的物質(zhì)盤中聚合出來(lái)的。離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，物質(zhì)密度越低。在第九號(hào)行星所在的距離，根本不可能有那么多原始物質(zhì)來(lái)構(gòu)筑這么大的一顆行星。

有科學(xué)家提出，第九號(hào)行星原本形成于太陽(yáng)附近，但后來(lái)被木星或土星的引力拖到了太陽(yáng)系外圍。然而，除非有多次引力交互，否則不可能讓質(zhì)量比地球還大得多的第九號(hào)行星去到那么遠(yuǎn)的地方而不回來(lái)。正因?yàn)槿绱?，索爾茲和昂文相信第九?hào)行星應(yīng)該是一個(gè)原始黑洞。一項(xiàng)探測(cè)更遙遠(yuǎn)之地的實(shí)驗(yàn)，讓他們更堅(jiān)定了自己的看法。

引力微透鏡原理示意圖

實(shí)驗(yàn)啟示

在智利一家天文臺(tái)運(yùn)作的光學(xué)引力透鏡實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱OGLE），致力于觀測(cè)由引力微透鏡作用引起的銀河系中心恒星亮度的陡然增加。所謂引力微透鏡作用是指：由背景光源發(fā)出的光線被偶然經(jīng)過(guò)背景光源前方的干擾天體扭曲。干擾天體因?yàn)樘』蛱担緛?lái)不可見，但因?yàn)楦蓴_天體的軌道讓該天體恰好暫時(shí)位于地球和一顆星系中心恒星之間，所以干擾天體暫時(shí)被照亮而現(xiàn)身，而且干擾天體的引力讓恒星光聚焦，從而讓恒星看上去更亮。亮度增加的時(shí)間越短，說(shuō)明干擾天體的質(zhì)量越小。

2010—2015年，OGLE觀測(cè)到的微透鏡事件達(dá)2600起，其中6起超短，即持續(xù)時(shí)間不到半天。有科學(xué)家推測(cè)，造成超短微透鏡事件的是自由繞行于星際空間、不受恒星系統(tǒng)束縛的行星。但在2019年的一篇論文中，有科學(xué)家提出這些微透鏡事件很容易由質(zhì)量?jī)H為地球幾倍的原始黑洞產(chǎn)生。

黑洞的存在，勢(shì)必會(huì)對(duì)周圍行星產(chǎn)生影響

見到這篇論文后，索爾茲注意到了一個(gè)奇怪之處：外太陽(yáng)系小天體的排列表明，那里有一個(gè)大天體的質(zhì)量與造成這些微透鏡事件的天體質(zhì)量（推算值）相當(dāng)。這當(dāng)然可能只是一個(gè)巧合，但在索爾茲和昂文看來(lái)，這種“巧合”暗指宇宙中存在此前科學(xué)界未知的大量天體，如果其中一部分不是行星，那么至少有一部分可能是原始黑洞。

毫無(wú)疑問，一旦在宇宙中發(fā)現(xiàn)一個(gè)原始黑洞，其意義之巨大不言而喻。如果宇宙中仍然分布著原始黑洞，這些古老天體就可能有助于科學(xué)家一錘定音地一次性破解有關(guān)宇宙的諸多難題。

黑暗之秘

科學(xué)家將暗物質(zhì)比作把星系“粘”在一起的“膠水”，而且這種“膠水”加速了星系的形成。過(guò)去50年中，科學(xué)家已經(jīng)確信暗物質(zhì)由尚未發(fā)現(xiàn)的粒子組成。暗物質(zhì)是我們尚未認(rèn)知、產(chǎn)生引力但不與光線交互的奇異物質(zhì)。問題在于，雖然多年來(lái)科學(xué)家進(jìn)行了許多次實(shí)驗(yàn)，花費(fèi)巨大，但沒有探測(cè)到哪怕一個(gè)暗物質(zhì)粒子。

近年來(lái)，科學(xué)家對(duì)暗物質(zhì)是否可能由原始黑洞組成爭(zhēng)執(zhí)不休。根據(jù)LIGO觀測(cè)到的黑洞合并頻率，一些科學(xué)家估算了古老黑洞的數(shù)量，結(jié)果是黑洞占據(jù)宇宙質(zhì)量的比例相當(dāng)大。如果的確如此，那么原始黑洞就真有可能是暗物質(zhì)。

形成于宇宙最初期的黑洞，可能包藏著宇宙大爆炸后不到萬(wàn)分之一秒時(shí)的情況。這個(gè)時(shí)期很重要——自然的力量正在塑造自己的終極形態(tài)：物質(zhì)、反物質(zhì)和暗物質(zhì)正在以各自相應(yīng)的比例聚合;空間自身正經(jīng)歷極快膨脹，直到膨脹到很大很大。

然而，要想調(diào)查這一時(shí)期難上加難。光學(xué)和射電望遠(yuǎn)鏡根本不可能觀測(cè)到如此遙遠(yuǎn)的過(guò)去。在望到大爆炸后30萬(wàn)年光線所及的地方時(shí)，物質(zhì)密度劇增，因此遮擋望遠(yuǎn)鏡的視野。對(duì)該時(shí)期引力波信號(hào)的捕捉嘗試一再失敗，這是因?yàn)槭茔y河系中塵埃效應(yīng)的影響。

作為來(lái)自宇宙誕生時(shí)期的遺產(chǎn)，原始黑洞有可能改變這種困局。如果能找到原始黑洞，科學(xué)家就能立即回到從前，去探索以前毫無(wú)辦法探索的事件。這些事件發(fā)生于不同時(shí)期，因此與不同質(zhì)量的原始黑洞有關(guān)。不僅如此，每一次事件都會(huì)影響當(dāng)時(shí)原始黑洞的形成數(shù)量。通過(guò)比較不同質(zhì)量的黑洞數(shù)量，就可能知道當(dāng)時(shí)發(fā)生的事件。例如，第九號(hào)行星的質(zhì)量意味著，如果它的確是一個(gè)原始黑洞，那么它就很可能產(chǎn)生于電磁力與弱核力分離的電弱相變時(shí)期。

但要想透過(guò)原始黑洞這扇窗戶去窺探宇宙歷史，還為時(shí)太早。首先，我們必須證明太陽(yáng)系中真的有原始黑洞。而要想證明這一點(diǎn)，我們必須展開與尋找行星截然不同的全新搜索。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡永遠(yuǎn)看不見黑洞。X射線望遠(yuǎn)鏡有機(jī)會(huì)看見，這是因?yàn)槿魏螇嬋牒诙吹奈镔|(zhì)都會(huì)被加熱并發(fā)出X射線。問題是這種發(fā)射轉(zhuǎn)瞬即逝，望遠(yuǎn)鏡必須在精確的時(shí)間精確地對(duì)準(zhǔn)發(fā)射方向才可能探測(cè)到。還有一種可能會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定的X射線信號(hào)發(fā)射，前提是暗物質(zhì)的確由一接觸就會(huì)互相湮滅的奇異粒子組成。暗物質(zhì)會(huì)傾向于聚集在黑洞周圍，如果暗物質(zhì)的確由奇異粒子組成，那么作為湮滅的結(jié)果，隨著黑洞在其軌道中運(yùn)行，它會(huì)發(fā)出在天空中飄移、穩(wěn)定的X射線流或? ? 射線流。

未來(lái)任務(wù)

或許，捕捉原始黑洞的最好辦法是尋找黑洞大量產(chǎn)生的東西——引力。有科學(xué)家提議用小飛船隊(duì)探測(cè)黑洞引力，原理是飛船軌道的偏離有可能由潛伏的大天體（不管是行星還是黑洞）造成。小飛船隊(duì)可能提示望遠(yuǎn)鏡精確對(duì)準(zhǔn)哪個(gè)方向。如果望遠(yuǎn)鏡看見光斑，它就是行星。如果什么也沒看見，那就可能是黑洞。

在最近一篇論文里，這些科學(xué)家認(rèn)為采用人造微型衛(wèi)星和太陽(yáng)帆就可能執(zhí)行黑洞探測(cè)任務(wù)。太陽(yáng)帆無(wú)需推進(jìn)劑：陽(yáng)光對(duì)太陽(yáng)帆的壓力就能推動(dòng)太陽(yáng)帆飛船。飛船首先飛向太陽(yáng)，獲得強(qiáng)大的推力，在一年內(nèi)就能讓飛船進(jìn)入海王星軌道，這比采用化學(xué)推進(jìn)快10倍。

目前，這樣的任務(wù)純屬紙上談兵。事實(shí)上，一些科學(xué)家根本不相信第九號(hào)行星之類的天體存在。2021年初，有科學(xué)家發(fā)表論文說(shuō)，認(rèn)為太陽(yáng)系外圍小型矮行星的排列由第九號(hào)行星造成的觀點(diǎn)屬于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)精確度不高所致，更精確的數(shù)據(jù)將駁倒這個(gè)觀點(diǎn)。

太陽(yáng)帆（想象圖）

眼下的需要是回到出發(fā)點(diǎn)：繪制外太陽(yáng)系含冰小天體分布圖，以查明是否存在潛伏的大天體。這項(xiàng)任務(wù)可能將變得不那么難——位于智利的維拉魯賓天文臺(tái)將在2021年底之前投入運(yùn)作，預(yù)計(jì)它將發(fā)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)顆外太陽(yáng)系小天體。這些天體的軌道將證明外太陽(yáng)系是否真的還有尚待發(fā)現(xiàn)的大天體。如果真有，天文學(xué)家甚至將能確定它的方位，那么望遠(yuǎn)鏡將對(duì)它進(jìn)行深入探測(cè)。如果屆時(shí)發(fā)現(xiàn)的是一顆行星，當(dāng)然意義非凡。但如果什么也沒發(fā)現(xiàn)，而異常的引力擾動(dòng)依然存在，那么就到了發(fā)射太陽(yáng)帆飛船之時(shí)。