原初黑洞的藝術(shù)圖
在冥王星被剔除出九大行星的行列后，對于太陽系中是否存在第九行星、如果存在，這顆星體又是什么來頭，天文學家展開了激烈的討論。在一項近期發(fā)表于預印本網(wǎng)站的研究中，英國杜倫大學的物理學家雅各布·舒爾茨（Jakub Scholtz）與美國伊利諾斯大學的杰姆斯·恩溫（James Unwin）提出了一個大膽的設(shè)想：太陽系中的第九大行星，可能是一顆原初黑洞。
撰文 | 張華
第九大行星之謎
2006年，在第26屆國際天文聯(lián)合會上，曾經(jīng)的第九行星冥王星被剔除出行星行列。這是因為在2005年，天文學家發(fā)現(xiàn)鬩神星（小行星序號：136199 Eris）質(zhì)量比冥王星質(zhì)量高出27%。這意味著，如果冥王星是第九大行星的話，那么鬩神星就應(yīng)該是第十大行星，這樣下去在海王星外圍有很多這樣的小天體都可以被稱為行星。這樣一來，行星就太多了，而且看起來不易于管理。
面對如此的現(xiàn)實情況，國際天文聯(lián)合會（IAU）正式更新行星的定義，新定義將冥王星剔除出了行星的隊伍，將其劃分為矮行星（也叫類冥天體）。冥王星成為矮行星以后，獲得了一個編號：134340 Pluto。
與此同時，天文學家發(fā)現(xiàn)了當時在太陽系中最遠的天體：賽德娜（Sedna）。它離太陽最近76個天文單位。（地球到太陽的距離為 1 個天文單位。相比之下，冥王星到太陽的距離為40個天文單位）一個值得關(guān)注的現(xiàn)象是，賽德娜的軌道平面與其他八大行星的軌道具有很大的夾角。考慮到它距離木星與海王星都很遙遠，已經(jīng)幾乎不受木星與海王星的引力影響，那么它的大軌道傾角是如何產(chǎn)生的？
隨后，天文學家又發(fā)現(xiàn)大量類似于賽德娜的小行星都具有很大的軌道傾角（幾乎與地球公轉(zhuǎn)軌道面成50度）。于是天文學家猜測，在海王星外的柯伊伯帶，應(yīng)該有一個質(zhì)量比較大的天體將賽德娜等小行星拖到了高軌道夾角的位置。
假想存在的十號行星軌道圖。（圖片來源: Heather Roper/LPL）
但是，這個大質(zhì)量天體到底是什么？天文學界對此還沒有共識，只不過大家猜想這個大質(zhì)量天體就是太陽系第9大行星，暫時取名為P9（因為它還沒被觀測到，所以沒有正式的名字）。從質(zhì)量上來分析，它的地位與地球是一樣的，都屬于行星級別。從目前的觀測來說，P9質(zhì)量大約是5~15個地球質(zhì)量，它距離太陽有300~1000個地日距離。據(jù)此推測，其繞太陽公轉(zhuǎn)周期大約為3萬年。
在地球上的光學引力透鏡實驗（OGLE）也在這一區(qū)域觀測到了一系列引力異常現(xiàn)象。有至少6個微引力透鏡事件都指出，在這一區(qū)域存在引力異常。引力透鏡實驗表明，這一區(qū)域可能存在一個自由漂浮行星或者太陽系的第九大行星，而且其質(zhì)量范圍也落在5~15個地球質(zhì)量之間。因此，第九大行星的猜想看起來不是一個巧合，而是一個事實。
自由漂浮行星與原初黑洞
那么，P9是怎么形成的呢？
一種可能性是，P9就是在當?shù)匦纬傻?。但天文學家計算了當?shù)匦纬傻母怕收J為，在那么遙遠的距離，形成如此大質(zhì)量的行星，既沒有足夠的物質(zhì)，也沒有足夠的時間，所以當?shù)匦纬傻目赡苄詷O低。
另外一種可能是，P9是路過的星體，被太陽系的引力場俘獲了。換句話說，它是一個過客。
這個過客可能是自由漂浮行星，它可能在路過太陽系的時候被太陽的引力場俘獲。在最新的論文中，舒爾茨與合作者計算了太陽對這個行星的俘獲概率。他們發(fā)現(xiàn)，如果原初黑洞在暗物質(zhì)中的占比是5%的話，那么這個自由漂浮的行星也可能是一個原初黑洞。
原初黑洞是在宇宙暴脹時期開始形成的，物理學家把宇宙大爆炸之前的宇宙叫做原初宇宙。在原初宇宙中，如果宇宙空間的能量密度有一個特殊的漲落，當局域空間的能量密度聚集到一定程度，就可能形成原初黑洞的種子。隨后，隨著宇宙的演化，這些黑洞的種子會不斷吸積周圍的粒子，從而形成原初黑洞。
原初黑洞可以長大，也可以縮小——因為霍金輻射的存在，很多原初黑洞還沒長大，就蒸發(fā)掉了，而少部分原初黑洞則可能長大為巨型黑洞。
如果原初黑洞長到現(xiàn)在，到底有多大呢？物理學家并不十分清晰的對此并不確定。但香港科技大學物理系助理教授王一解釋道：“如果原初黑洞存在，并且沒有因為霍金輻射而蒸發(fā)殆盡，那么現(xiàn)在它的質(zhì)量可以非常大，也可以比較小——但這個最小質(zhì)量有一個下限，大概是10^12千克，小于地球質(zhì)量。”
所以，目前觀測到的P9的質(zhì)量范圍是合適的，它可以是原初黑洞。如果P9的質(zhì)量是5倍地球質(zhì)量，那么作為原初黑洞，它的半徑大概是45毫米——差不多與一個網(wǎng)球一樣大。
原初黑洞繞太陽公轉(zhuǎn)？
因此，P9如果是原初黑洞，那么它的質(zhì)量是合理的，而且因為原初黑洞不會發(fā)光，5倍地球質(zhì)量的原初黑洞的霍金輻射溫度是低于0.0001開爾文，所以我們不可能通過霍金輻射來找到這個原初黑洞。這也解釋了為什么人類無法直接用光學手段看到P9，而只能用引力場效應(yīng)來推測它的存在。
那么，剩下的問題是，從概率的角度來說，在太陽系中能出現(xiàn)原初黑洞嗎？
王一告訴《環(huán)球科學》：“原初黑洞是暗物質(zhì)候選者之一，但在暗物質(zhì)組分中，與地球質(zhì)量差不多的原初黑洞在暗物質(zhì)中的比例不會超過10%。這是有嚴格的天文觀測限制的?！?/span>
根據(jù)目前的天文觀測，原初黑洞在暗物質(zhì)中的占比大概是0.5%~10%之間。
那么，在太陽系內(nèi)，暗物質(zhì)總質(zhì)量是多少呢？
這個數(shù)字可以用暗物質(zhì)的密度與太陽系體積的乘積來計算。我們知道，在太陽系中暗物質(zhì)的平均密度是：每3立方厘米大概有1個質(zhì)子質(zhì)量的暗物質(zhì)。按照太陽系半徑為 300個地日距離來估算，太陽系內(nèi)的暗物質(zhì)含量大約是6.21*10^19千克。
如果P9是原初黑洞，以它的質(zhì)量為5倍地球質(zhì)量來估算，P9的總質(zhì)量是3*10^25千克。這說明它的質(zhì)量遠遠超過了太陽系內(nèi)暗物質(zhì)的總質(zhì)量。所以，P9如果是在太陽系內(nèi)形成的原初黑洞，這是不太可能的。而如果它是路過太陽系時被太陽系俘獲的，至少這在概率上還說得通。
舒爾茨與合作者在文章中認為，如果P9是原初黑洞，在它的周圍會有一個暗物質(zhì)的暈，這些暗物質(zhì)的高密度比別的區(qū)域要高很多，所以有可能會相互碰撞而湮滅。湮滅就是正反物質(zhì)碰到一起，變成能量。在一些湮滅產(chǎn)物的模型中，暗物質(zhì)可以湮滅成光子。因此，作者認為可以通過觀測這些光子來確定這個原初黑洞的蹤跡。
因此，要證實第九大行星是原初黑洞，還有很長的路要走。
原始論文：
https://arxiv.org/abs/1909.11090
《環(huán)球科學》10月新刊上市
