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太阳系里有黑洞?天文学家猜想第九行星或是原初黑洞

北极蚊子 2019-10-10 14:52

自从 2006 年国际天文联合会投票将冥王星降级为矮行星后,天文学家们寻找太阳系第九大行星继任者的热情仍然不减。最近的几年,不断有证据表明,在太阳系的最外延极有可能存在着真正的第九行星,通过对周围星体的引力拉动来宣告着自己的存在。

但最近有天文学家提出了一个颠覆性的猜想。英国杜伦大学的物理学家 Jakub Scholtz 与美国伊利诺斯大学的 James Unwin 近日在预印本网站 arXiv 上的一篇文章中提出:我们至今未能发现所谓第九行星,可能因为它不是一颗行星,而是一个原初黑洞(primordial black hole),其直径不到 5 厘米,但密度极高,正与地球一样绕着太阳运行。

(来源:维基百科)

若该假设成立,那么现有的光学和红外望远镜将无法对其进行观测,天文学家可能需要采取适用于原初黑洞的方式来寻找第九行星的足迹。与此同时,该猜想也罕见提出:我们在太阳系中,可能正与黑洞为邻。

何为第九行星

众所周知,目前太阳系的八大行星中,除地球之外,还有水星、金星、火星、木星、土星、天王星和海王星。

但除了这 8 大行星,我们所处的太阳系其实非常热闹,尤其是太阳系的边缘,遍布着由岩石和冰块组成的星体。这些位于海王星轨道外侧的星体数量众多,它们组成了著名的柯伊伯带。柯伊伯带上有的星体个头很小,容易受到附近大行星的引力扰动,例如海王星的引力就对它们影响很大。

图 | 太阳系边缘星体数量众多(来源:NASA)

但柯伊伯带中却还存在着一组运动十分独立的星体,它们的轨道大不相同。一些星体甚至是绕太阳公转,另一些的轨道具有偏心率极高(很扁的椭圆),还有一些轨道平面上翘,与黄道面形成了显著的夹角。

要产生这样的效果,一个海王星是不够的,当然一个冥王星也远远不够。于是,有学者提出了一个假设,一定有其它大质量的星体也在某个地方暗暗发力,也就是著名的“第九行星(Planet Nine)”。

图丨这幅图描绘了遥远的柯伊伯带天体和 9 号行星的轨道。紫色轨道主要受 9 号行星的引力控制,比较密集。另一方面,绿色轨道与海王星紧密耦合,相对松散。最新的轨道计算表明,9 号行星是一颗质量约为地球 5 倍的行星,它大概位于轨道的偏心上,运行周期约为 1 万年。(来源: James Tuttle Keane /加州理工学院)

从名字中也能看出,虽然至今未能找到第九行星,但多数研究都还是基于“第九行星是一颗行星”的基础之上。但为何 Scholtz 和 Unwin 会提出“第九行星是黑洞”的猜想呢?这一研究的起因还需从原初黑洞说起。

神秘的原初黑洞

原初黑洞(primordial black hole),又称为太初黑洞,是一种假想的黑洞类型。这类黑洞不是由大质量恒星的引力坍缩形成的,而是来源于宇宙早期大爆炸暴涨时物质的超高密度。

虽然到目前为止,并没有任何证据能直接支持原初黑洞的存在,但此前有多个研究指向:原初黑洞可能是普遍存在的。其中一个重要的研究就是由波兰华沙大学发起的一个研究项目:光学重力透镜实验(Optical Gravitational Lensing Experiment,简称 OGLE),其目标是根据引力透镜效应(gravitational lensing),来寻找宇宙中的黑暗物质。

根据广义相对论,引力透镜效应就是当背景光源发出的光在引力场(如星系、星系团及黑洞)附近经过时,光线会像通过透镜一样发生弯曲。

图 | 引力透镜模拟的黑洞(图源:Wikipedia

多数引力场都是巨大的,它可能是一整个星系甚至是星系团,但 OGLE 研究过程中观测到的多个结果指出:有些引力场可能并没有星系那么大,且离太阳系的距离可能非常近,甚至就在我们所在的银河系内。这些物质密度非常高,质量可以达到地球的 5 倍左右。

这些物质到底是什么?目前的研究还未能对此作出判断,而其中一个重要的猜想就是:原初黑洞。也许正是原初黑洞,在银河系的范围内造成了引力透镜效应。

这一可能性引起了 Scholtz 和 Unwin 的注意。他们将原初黑洞与第九行星联系了起来。

他们表示,如果 OGLE 观测到的引力透镜事件是原初黑洞造成,那么被太阳系捕获的原初黑洞也可能让太阳系边缘的星体出现轨道异常。

是行星,还是黑洞?

在最新的研究中,Scholtz 和 Unwin 从“第九行星如何形成”的角度探讨了这种可能性。他们认为,若第九行星是一颗行星,那么它要出现在当前的位置,可能的方式只有三种:

第一,第九行星就是在现有的位置形成。这种可能性不大,原因是从太阳系形成至今,并没有足够的时间让一个超大质量的行星在如此远离太阳的距离形成。

第二,第九行星最初在更靠近太阳的位置形成,再通过某种方式被“弹射”到现有的位置上。但要将这颗行星“弹射”到现有的位置,需要的条件也极为苛刻,例如附近的一颗恒星经过。但现有的研究表明,这种情况在太阳系的历史上并未出现过。

最后一种可能性则是:第九行星原本是一个自由浮动行星(free-floating planet),最初并没有围绕任何恒星公转,但在偶然情况下被太阳的引力场捕获,最终来到了现有的位置上绕太阳运行。不过目前人类对自由浮动行星的认识也较少。

虽然这三种假设都是建立在“第九行星本身是一颗行星”的基础之上,但 Scholtz 和 Unwin 认为,如果太阳系能够捕获一个自由浮动行星,那相同的原理下,太阳的引力场也可能捕获一个原初黑洞。

图 | 猜想黑洞直径约为 5 cm,质量为地球 5 倍(来源:麻省理工科技评论)

这一猜想最重要的结果在于,若第九行星是一个原初黑洞,那么通过光学和红外望远镜都无法观测到它的存在,意味着目前许多天文学家寻找第九行星的努力都可能是无用功。

那么如何才能找到这个神秘的第九行星?基于他们的猜想,Scholtz 和 Unwin 同时也指出了他们接下来将要进行观测工作。

他们假设原初黑洞周围包裹着一圈暗物质,这些暗物质粒子的湮灭会产生伽马射线。这一现象给人类观测留下了机会,天文学家可通过费米伽玛射线空间望远镜对该现象进行观察。

Scholtz 和 Unwin 表示已有进一步的研究计划,未来将对费米伽玛射线空间望远镜捕获的数据进行分析,进一步寻找相关线索。

客观来说,“第九行星是一个黑洞”仅仅只是一个基于猜想的猜想,且论文本身还未正式发表。

其学术价值或许需要经过更多专业的探讨和判断,但除此之外,这一猜想对学界以外的人来说也并不是全无意义。

在人类对浩瀚星空的探索远谈不上充分的今天,我们对漆黑的太空有着无数基于现有理论的想象,而 Scholtz 和 Unwin 以及其他正在提出猜想、证明猜想的天文学家还在不断告诉我们:地球之外的世界,可能远比我们想象中的更加神奇。这或许才是这一猜想最让人兴奋的地方。

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