太阳系“后院”藏着一个“葡萄柚”黑洞？天文学家试图借此探寻宇宙诞生之谜
大爆炸中诞生的黑洞会改变我们对宇宙的看法。就拿我们所生存的太阳系来说，天文学家心中就一直有个疑问：会不会有黑洞“潜伏”在太阳系的边缘？
如果这种猜测正确，那将是一个非常惊人的发现。原始黑洞会为我们研究宇宙初期提供一个新的视角。或许，我们还能由此发现那种把星系聚集在一起的神秘物质——暗物质。这些年来，宇宙学家为找到它们，一直在努力探索，可没准它们的身影就在人类自己的“后院”呢？
在外太阳系的巨行星之外，有着一片广阔而荒凉的空间。大多数天文学家认为，那里有许多像冥王星一样的小型冰天体，一些团队也在研究那里具体有哪些矮行星。在研究过程中，有专家开始怀疑，或许那里潜藏着一个大东西——一颗比地球质量大好几倍的行星。
一些人认为，这可能是“第九行星”，因为其引力改变了周围一些小型冰天体的轨道。但同时，人们又对它的存在感到些许困惑：这么大一颗行星是如何在离太阳这么远的距离形成的？英国杜伦大学理论天文学家雅各布·朔尔茨说：“可以肯定的是，那里有一个具有一定质量的物体，但现有的观察无法确定那个物体的真实身份。”他甚至大胆猜测，它或许是一种更奇特的存在——一个在大爆炸中形成的原始黑洞。
原始黑洞
或可让观测疑团一目了然
黑洞的时空区域非常扭曲，从而产生了不可抵抗的引力，没有事物可以躲过这种引力，甚至光都不行。1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，预测会有黑洞的存在。整整100年后，人们首次探测到了它们：激光干涉引力波天文台（LIGO）在引力波里探测到了两个黑洞通过撞击合并后产生的微弱波动。
从那以后，LIGO又探测到了好几十次黑洞的身影，其中很多都是意外发现。先前，按照理论推断，根据对于周围物质的影响，黑洞可以划分为两大类：
最大的是在宇宙各大星系中心发现的超大质量黑洞。通过与其他黑洞的融合，超大质量黑洞逐渐变成庞然大物，它们的质量是地球的数百万甚至数十亿倍。
第二类是恒星级黑洞。它们诞生于大质量恒星死亡时的超新星爆发中，其中离地球最近的超新星爆发发生在1000光年外。恒星级黑洞的重量一般在5至15个太阳质量之间，大多数天文学家认为LIGO能发现这种黑洞。
▲激光干涉引力波天文台（LIGO）在美国列文斯顿的部分引力波探测装置 （LIGO官网）
在2015年的一次黑洞撞击事件中，两个碰撞的黑洞质量分别是35个和30个太阳质量。随后的探测又提供了更多不同的黑洞质量。GW 190814信号探测到一个大黑洞和一个小黑洞，大的有约23个太阳质量，小的只有约2.6个太阳质量。GW190521则发现了85个太阳质量的黑洞和66个太阳质量的黑洞相撞。
比利时布鲁塞尔大学的宇宙学家塞巴斯蒂安·克莱斯说： “太阳系边缘的观察结果很难用天体物理学解释清楚，但如果用原始黑洞概念来想的话，就一目了然了。”
人们认为，原始黑洞的质量范围很广，小的可以等同于行星和小行星的质量。理论上来说，它们形成于宇宙初期，物质和能量紧紧地挤在一起，形成一股不断变化的漩涡，任何干扰都可能使特定区域超过临界密度，从而撞出一个黑洞。它们的大小取决于各自产生时的条件，所以会有很多大小不一的原始黑洞。
第九行星
太阳系边缘神秘的引力源
我们如何才能知道潜伏在太阳系边缘的神秘引力源究竟是什么呢？
如果说“第九行星”就是黑洞，可能有些牵强。因为“第九行星”的质量要比LIGO探测出的黑洞质量小很多。目前较为流行的说法是，冥王星之外的神秘引力源是来自一颗质量在5至15个地球质量的行星。这是由美国卡内基科学研究所的斯科特·谢泼德和美国北亚利桑那大学的查德·特鲁希略在2014年估算得出的结论。
随着朔尔茨和他在美国伊利诺伊大学的同事詹姆斯·昂温对“第九行星”的了解不断深入，他们提出了一个更奇特的想法。
昂温在美国芝加哥天文馆的一场讲座中听说了“第九行星”，听完之后非常兴奋。朔尔茨回忆道： “当时他立马就打电话给我，说'第九行星’的想法很棒，但如果它不是行星又会是什么呢？”于是，朔尔茨和昂温从基础理论出发，开始了他们的研究，其中就包括了“大行星是如何在离我们恒星这么远的地方形成的”。
太阳系的行星是由太阳周围的一系列物质合并而成的。距离太阳越远，可以合并的物质就越少。就“第九行星”所处的位置来看，那里的物质稀少，应该合并不出这么大的行星。
有一种说法是， “第九行星”其实是在离太阳较近的地方形成的，只不过之后被木星或是土星的引力扔到了远处。不过，这说法很快就被质疑了，因为无论是土星还是木星，其单方面影响都无法做到这一点。要确保“第九行星”不会回到原来的轨道，就必须有更多的影响介入，因此朔尔茨认为这个说法太牵强了。
“研究'第九行星’形成，可以发现很多问题。”朔尔茨说，在看到更多天文学家的观察结果后，他提出太阳系边缘的神秘质量体可能是一个原始黑洞。
“葡萄柚”黑洞
超短波现象背后的秘密
最初在智利的拉斯坎帕纳斯天文台进行的光学重力透视实验（OGLE），可以用微引力透镜增加亮度来观察银河系中心的恒星——天体的光线被中间物体阻挡后，光线会发生弯曲，强度变弱，有时甚至会被完全遮挡。不过，当恒星、地球，以及两者之间的光线恰好处于同一水平线上时，恒星和地球的引力就会聚焦光线，让恒星看上去更明亮。
2010年到2015年间，OGLE共检测出了2600起微引力透镜现象，其中有6起“超短波现象”，持续的时间不超过半天。波兰华沙大学天文台的普热梅克·莫兹和他的同事认为，这些“超短波现象”中的恒星在星际间的运行方向是自由的，并不受到太阳系的约束。但日本东京大学的新仓广子和他的同事在2019年发表了一篇论文提出，这些现象也可能是由几个地球质量的原始黑洞产生。
朔尔茨看了这些论文后认为，外太阳系的这些小行星“结盟”，可能意味着在“超短波现象”背后藏着一个与其相似质量的物体。当然，这一切也可能只是一个巧合，但对于朔尔茨和昂温来说，这代表了一大片以前从未看到过的天体， “如果它们不是行星的话，那唯一符合要求的事物就只有原始黑洞了”。
2019年，朔尔茨和昂温发表了一篇名为“如果'第九行星’是原始黑洞”的论文，从理论上揭示了一个直径只有9厘米的黑洞——大小和一个葡萄柚差不多。论文还详细说明了为什么这个设想是合理的，这都与“第九行星”（前提是它是一颗行星）进入自己的轨道有关。
如果“第九行星”不是在我们这个太阳系中形成的，那么它要到达现在的位置，就只有捕捉一个在其他星系中形成的、可自由漂浮且恰好经过的行星。不少研究团队用不同方法进行了推算，最终得出的结论是，这种想法不太可能，但也不是绝对不可能。朔尔茨和昂温也在论文中表示，捕捉一个原始黑洞的可能性不大。
宇宙之初
寻找原始黑洞存在的证据
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。如果它们还像人们预期的那样分布在宇宙的各个角落，那宇宙学中一些最大的问题也就迎刃而解了。
真正困难的是，我们要找到原始黑洞存在的证据。以暗物质举例，在过去半个世纪的大部分时间里，研究人员一直坚信，暗物质是由人类未知的粒子所组成：是一种我们不知道但能形成引力，且不和光线互相影响的奇特物质。可这么多年过去了，人们在探测暗物质的实验上投入了数十亿美元，依然没能发现哪怕一个暗物质粒子。
近年来，研究人员一直在争论原始黑洞是否会由暗物质构成。克莱斯和西班牙马德里自治大学的胡安·加西亚-贝利多用LIGO观测到的黑洞融合速度来推断原始黑洞的大致个数。从他们的估算来看，这些黑洞的总质量确实能占宇宙总质量的很大部分。克莱斯认为，原始黑洞可能就是暗物质。
原始黑洞是在宇宙诞生后的最初几分钟形成的，它们应该存有关于大爆炸后几秒所发生事件的信息。这短短几秒非常关键：自然界的力形成了自身的最终形态；物质、反物质和暗物质形成了各自的占比；太空被指数级的膨胀吞噬……
但这个时期是很难研究的。它太久远，已超出光学望远镜和射电望远镜的目力所及范围。望远镜至多只能观察到大爆炸后30万年的情况，再往前的观测范围就被加重的物质密度挡住。研究人员也尝试过提取这个时期的引力波信号，却因银河系中的尘埃影响而失败。
作为宇宙诞生的遗迹，原始黑洞或许会改变这一切。加西亚-贝利多说：“有了它们，我们能探索过去发生的、以前无法探索的事件。”
这些事件发生在不同时期，从理论上来说，它们和原始黑洞不同的质量有关。而且，每个事件都会影响那个瞬间产生的原始黑洞的数量。所以，对比不同质量的黑洞，我们就可推断那个时候发生了什么。比如，如果“第九行星”是原始黑洞，那么它的质量表明，它可能是在电磁与弱核力分离的弱电转变时期产生的。
但现在还不是研究宇宙历史的时候。我们首先要证明的是，太阳系边缘真的有黑洞。这意味着，我们要先采用不同的方法来寻找有可能是黑洞的行星。
光学望远镜是看不到黑洞的。X射线望远镜有可能会看到，因为任何落入黑洞的物体都会升温，发出一道X射线波长的亮光。但问题是，这些光是稍纵即逝的，想要看到它们，我们必须在准确的时间观察准确的位点。还有一种能给出稳定X射线信号的方法，外来的暗物质粒子在与其他粒子碰撞时，会释放出稳定的X射线或者伽马射线。暗物质会聚集在黑洞周围，当黑洞沿着它的轨道运行时，这些粒子相互接触所释放的射线就能被人类观察到。
太阳帆设想
千方百计解开“后院”谜团
或许捕捉黑洞最好的方法是寻找它的大量产物——引力。
美国宇航局喷气推进实验室的斯拉瓦·托拉谢夫为此做了大量实验。他建议用一组小型的航天器去探测这种引力的来源，如果小型航天器偏离了预定轨道，那就意味着在那里存在一个行星或者黑洞之类的大型天体。这就给我们提供了一个精准的方位，如果我们在那个方位上看到的是光点，那就是行星；如果没光点，那就是黑洞。
托拉谢夫和同事在近期一篇论文中表示，微型卫星和太阳帆能完成这项任务：太阳帆不需要燃料，它们把落在帆上的光压转换成动能驱动航天器。带有太阳帆的微型卫星先前往太阳周边，以获得充足的能量，使之足以维持微型卫星在海王星轨道上平稳行驶一年。托拉谢夫认为，这比用化学推进剂的速度快10倍。
目前，这类任务还处于设想阶段。事实上，一些天文学家到现在都不相信有“第九行星”的存在。数月前，美国密歇根大学的凯文·内皮尔和同事一起发表了一项分析，他们通过矮行星的合并推断出“第九行星”只是数据假象，随着更多更好的数据出现，“第九行星”会逐渐消失。
▲位于智利的薇拉·鲁宾天文台（该天文台官网）
现在，我们要做的研究是探究外太阳系的小型冰天体，判断在那里是否有“第九行星”或是其他东西存在。而去年底在智利开始运行的薇拉·鲁宾天文台很快就能告诉我们答案——这个天文台可以找到太阳系外数万个小型冰天体，这样研究人员能得到更多的样本。通过这些冰天体，天文学家能判断那里是否有行星质量的物体存在，并且预测出它的准确位置加以观察。
如果看到的是一颗行星，那将会是一件了不起的发现。如果没有看到任何东西，但是异常引力还在，那太阳帆就可以上场了。
作者：江泽珍/编译
编辑：许琦敏
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