武田久美子

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黑洞就藏在我们的“后院”?

    据宇宙学家说,有一种黑洞应该诞生于大爆炸中。它们掌握着解决当前许多宇宙学问题的钥匙。现在有人声称,这样一个黑洞就潜伏在太阳系的边缘。

    “行星九”实际上是一个黑洞?

    在外太阳系,在冥王星以外的空间,是一片广阔的荒野。大多数天文学家认为那里居住着一群类似冥王星的矮行星。如果事情仅仅如此,那是没什么稀奇的,因为这一切都不出我们所料。

    但是,天文学家在那里发现了某些奇怪的现象。譬如,某些矮行星的运动轨道平面齐刷刷地指向同一个方向,好像一群卫兵向长官敬礼。

    为了解释这种现象,他们假设存在着这么一颗太阳系第九大行星——“行星九”,正是它的引力使得那些矮行星的轨道平面朝向如此一致。根据估算,这颗行星有5~15倍的地球质量。

    但这个假设又面临着一个难题,即如何解释这颗行星的来源。我们知道,太阳系所有的行星、小行星都是在围绕太阳的一个原始星盘中形成的。离太阳越远,物质越稀薄。在“行星九”所处的那么远的位置,根本没有足够的材料来形成这么大块头的东西。

    另有一种解释说,“行星九”也许形成于更接近太阳的地方,然后由于碰撞等原因,被碰到了太阳系的外围。但这种解释也有个问题,因为一次碰撞似乎无法完成此项工作,需要通过一系列接力赛一样的碰撞,才能把“行星九”被碰到那么远的地方。

    在英国的理论物理学家雅可比·斯科尔茨看来,要经过这么多环环相扣地朝同一个方向的碰撞,也太巧了。他认为,我们不妨考虑考虑别的解释,比如说那是一个黑洞——只不过那不是我们通常熟悉的黑洞,而是一个原始黑洞。

    那么,什么叫“原始黑洞”?它跟我们通常说的黑洞有什么区别?这就要从黑洞的分类说起。

    黑洞三兄弟

    黑洞是宇宙中的“怪兽”,没有任何东西,包括光,能逃脱它们强大的引力。它们是爱因斯坦在上世纪就预言的天体。但直到2015年,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到引力波,黑洞才首次被直接探测到,因为此引力波正是由两个黑洞碰撞、合并时发出的。此后,LIGO又通过类似办法在宇宙空间探测到50多个黑洞。

    传统理论上的黑洞,按其质量可分为两类。一类是盘踞在每个星系中心的超大质量黑洞,其质量是太阳质量的数百万倍甚至数十亿倍。它们大概是由一些较小黑洞通过合并,变成庞然大物的。

    另一类是恒星级质量的黑洞。它们是大质量恒星在其生命结束时,在一场爆炸中(即超新星爆发)坍塌而成的。离地球最近的黑洞可能就属于此类,它大约在1000光年之外。

    但天文学家确信,就黑洞的形成方式而言,还应该存在第三类黑洞,即原始黑洞。它们是在宇宙大爆炸之初形成的。我们可以试想,在宇宙诞生之初,所有物质都挤在如此狭小的空间,倘若没有膨胀作用力的支撑(我们不妨称其为膨胀力),那么,在引力作用下,所有物质又会很快坍塌回一个奇点。

    可是,具体到任何一块空间,物质密度也并非一成不变,而是时刻处于涨落之中,一会儿密度大一点,一会儿密度小一点,像水蒸气形成云一样。涨落的时间、地点,以及幅度多大,都是完全随机的。假如某块区域涨落过大,物质过于密集,其引力超过了膨胀力,那么这块区域的物质完全可以坍塌成一个黑洞。这样形成的黑洞叫原始黑洞。

    原始黑洞的大小取决于涨落幅度,因为涨落是随机的,所以原始黑洞的质量范围可以很广,大到数百数千个太阳质量,小到行星或小行星级质量。

    激光干涉仪引力波天文台(LIGO)

    LIGO迄今发现的黑洞,其质量大多介于5~15倍太阳质量,但最早探测到的两个黑洞,一个约为太阳质量的35倍,另一个约为太阳质量的30倍,远远大于其他黑洞,比较另类。这样另类的黑洞碰撞还有两次,一次涉及23倍太阳质量和约2.6倍太阳质量的两个黑洞相碰;另一次相碰的两个黑洞,分别为太阳质量的85倍和66倍。当然,不管普通也罢,另类也罢,这些黑洞就其质量而言,都属于恒星级黑洞。但也有人怀疑,所有这些黑洞质量差别如此之大,可能其中有一些是原始黑洞。换句话说,它们并非形成于恒星坍塌,而是形成于大爆炸。可惜,我们目前还没办法甄别出来。

    探测原始黑洞的意义

    从宇宙诞生到诞生之后的几分钟,都具备原始黑洞形成的条件,所以它们在那短暂的时间里,一直在形成。它们也会对大爆炸后几分之一秒内发生的许多事件产生影响。这些事件包括:大自然的四种基本作用力正彼此分道扬镳(在更高的能量下,它们本来是统一的),呈现出我们现在所看到的最终形式;普通物质和暗物质各自的比例被确定下来;空间本身则经历了一场指数式的暴胀。

    然而,调查这个阶段发生的事情是非常困难的。光学和射电望远镜永远看不到那么远的地方。因为根据标准宇宙学模型,宇宙大爆炸结束后即进入“黑暗时代”。那时的物质密度是如此之大,光子在传播了很小一段距离后便会与其他光子或粒子相撞,形成新的粒子与反粒子(如电子-正电子对)。这种情况下,光不能长距离传播。所以,这个时期的宇宙根本就透不出光来。要等到宇宙继续膨胀,物质密度降低,光才有长距离传播的可能,但那要等到大约30万年之后了。

    但探测宇宙的早期阶段,对于理解宇宙的形成又是如此重要。前几年,有一个小组兴奋地宣布他们探测到了这一时期产生的引力波信号,可惜空欢喜一场,事后证明那不过是银河系中尘埃的干扰信号。

    原始黑洞作为宇宙诞生最初即留下的遗迹,或许能提供一种手段,可以让我们追溯那些没有其他方法可以探测的事件。这些事件发生在不同时期。因此,根据理论预测,这些不同时期中形成的原始黑洞,其质量会有所不同(譬如,随着时间推移,宇宙在膨胀,物质密度在降低,形成大质量原始黑洞的可能性就在不断降低)。此外,每一个事件都会影响在那一瞬间形成的原始黑洞的数量。所以,比较不同质量的原始黑洞数量,应该能告诉我们当时发生了什么事情。

    原始黑洞是暗物质?

    另外,原始黑洞的存在,使科学家联想到暗物质。

    暗物质这种神秘的物质与普通物质除了引力,没有别的相互作用。它们占据了宇宙中物质总质量的85%。它们还是塑造星系的“脚手架”,正是它们的引力,把组成星系的普通物质吸聚在一起。但它们到底是什么呢?在过去半个世纪里,研究人员一直都在寻找暗物质粒子,但两手空空,一无所获。

    近年来,一些研究人员在考虑暗物质是否可能就是原始黑洞。有人利用LIGO观测到的黑洞合并的概率,计算出原始黑洞可能存在的数量。他们的估计表明,原始黑洞差不多可以填补暗物质所占的份额。所以他们猜测,原始黑洞可能就是暗物质。

    如何探测“行星九”?

    话说回来,如果“行星九”真是一个原始黑洞,意味着我们不能用以往寻找行星的方法,而是需要新的搜索方法(因为即便它是一颗行星,我们目前也没有搜到),就是用探测黑洞的办法去找它。

    如何用探测黑洞的办法去找“行星九”呢?光学望远镜是永远看不到一个黑洞的。X射线望远镜有机会发现黑洞,因为任何落入黑洞的物质都会加热,并发出X射线脉冲。问题是这些闪光转瞬即逝,需要我们在正确的时间朝正确的方向观察才能发现。

    还有一种发出稳定的X射线的可能,但依赖于一个假设:即原始黑洞是由暗物质组成的,而且组成暗物质的粒子是一种奇异粒子,它的反粒子是它自身,因此暗物质粒子与暗物质粒子接触时,会相互湮灭。因为在黑洞引力作用下,暗物质倾向于聚集在黑洞周围,暗物质比较集中,所以湮灭时,将稳定发射X射线或伽马射线。而且,当黑洞运行时,这些射线也将在天空中移动。

    不过上述说法太依赖于暗物质的性质了,而目前暗物质八字都还没一撇。也许捕捉原始黑洞最好的方法还是借助于宇宙中最丰富的东西——引力。

    太阳帆

    最近,有科学家建议,用一队太阳帆来探测外太阳系神秘引力的来源。他们的想法是,向“行星九”所在的区域派遣一队太阳帆。太阳帆不需要燃料,它们仅仅依靠太阳光照射在帆上产生的压力来驱动。太阳帆可以从太阳光那里得到强大的推力,足以在大约一年内驶到海王星轨道。当它们到达指定区域时,任何与预期轨迹的偏差可能会揭示那里大质量天体——不论是行星或黑洞——的存在。它们将为我们的望远镜提供一个精确的定位。然后,如果望远镜看到一点光,那就是行星;如果什么都没看到,那就是黑洞。

    总之,探测“行星九”意义重大。如果“行星九”确实是一个黑洞,根据计算,它的质量只有行星量级,那么它的直径只有9厘米,大致相当于一个大苹果。显然,这样的黑洞只能是原始黑洞。那也就顺便证实了原始黑洞这种古老天体的存在,而这将可以一次性解决宇宙学中几个最大的难题,其中包括解决暗物质的奥秘。

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