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  • 太阳系“后院”真有一个“葡萄柚”黑洞?

    发布时间: 2021-10-07 10:43首页:房产新闻 > 头条热点 > 科技新闻 > 阅读()

      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?

      ■江泽珍/编译

      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。

      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。

      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。

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