黑洞就藏在我們的“后院”？

石無魚

在外太陽系，在冥王星以外的空間，是一片廣闊的荒野。大多數天文學家認為那里居住著一群類似冥王星的矮行星。如果事情僅僅如此，那是沒什么稀奇的，因為這一切都不出我們所料。

但是，天文學家在那里發現了某些奇怪的現象。譬如，某些矮行星的運動軌道平面齊刷刷地指向同一個方向，好像一群衛兵向長官敬禮。

為了解釋這種現象，他們假設存在著這么一顆太陽系第九大行星——“行星九”，正是它的引力使得那些矮行星的軌道平面朝向如此一致。根據估算，這顆行星有5～15倍的地球質量。

但這個假設又面臨著一個難題，即如何解釋這顆行星的來源。我們知道，太陽系所有的行星、小行星都是在圍繞太陽的一個原始星盤中形成的。離太陽越遠，物質越稀薄。在“行星九”所處的那么遠的位置，根本沒有足夠的材料來形成這么大塊頭的東西。

另有一種解釋說，“行星九”也許形成于更接近太陽的地方，然后由于碰撞等原因，被碰到了太陽系的外圍。但這種解釋也有個問題，因為一次碰撞似乎無法完成此項工作，需要通過一系列接力賽一樣的碰撞，才能把“行星九”被碰到那么遠的地方。

在英國的理論物理學家雅可比·斯科爾茨看來，要經過這么多環環相扣地朝同一個方向的碰撞，也太巧了。他認為，我們不妨考慮考慮別的解釋，比如說那是一個黑洞——只不過那不是我們通常熟悉的黑洞，而是一個原始黑洞。

那么，什么叫“原始黑洞”？它跟我們通常說的黑洞有什么區別？這就要從黑洞的分類說起。

黑洞是宇宙中的“怪獸”，沒有任何東西，包括光，能逃脫它們強大的引力。它們是愛因斯坦在上世紀就預言的天體。但直到2015年，激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）探測到引力波，黑洞才首次被直接探測到，因為此引力波正是由兩個黑洞碰撞、合并時發出的。此后，LIGO又通過類似辦法在宇宙空間探測到50多個黑洞。

傳統理論上的黑洞，按其質量可分為兩類。一類是盤踞在每個星系中心的超大質量黑洞，其質量是太陽質量的數百萬倍甚至數十億倍。它們大概是由一些較小黑洞通過合并，變成龐然大物的。

另一類是恒星級質量的黑洞。它們是大質量恒星在其生命結束時，在一場爆炸中（即超新星爆發）坍塌而成的。離地球最近的黑洞可能就屬于此類，它大約在1000光年之外。

但天文學家確信，就黑洞的形成方式而言，還應該存在第三類黑洞，即原始黑洞。它們是在宇宙大爆炸之初形成的。我們可以試想，在宇宙誕生之初，所有物質都擠在如此狹小的空間，倘若沒有膨脹作用力的支撐（我們不妨稱其為膨脹力），那么，在引力作用下，所有物質又會很快坍塌回一個奇點。

激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）

可是，具體到任何一塊空間，物質密度也并非一成不變，而是時刻處于漲落之中，一會兒密度大一點，一會兒密度小一點，像水蒸氣形成云一樣。漲落的時間、地點，以及幅度多大，都是完全隨機的。假如某塊區域漲落過大，物質過于密集，其引力超過了膨脹力，那么這塊區域的物質完全可以坍塌成一個黑洞。這樣形成的黑洞叫原始黑洞。

原始黑洞的大小取決于漲落幅度，因為漲落是隨機的，所以原始黑洞的質量范圍可以很廣，大到數百數千個太陽質量，小到行星或小行星級質量。

LIGO迄今發現的黑洞，其質量大多介于5～15倍太陽質量，但最早探測到的兩個黑洞，一個約為太陽質量的35倍，另一個約為太陽質量的30倍，遠遠大于其他黑洞，比較另類。這樣另類的黑洞碰撞還有兩次，一次涉及23倍太陽質量和約2.6倍太陽質量的兩個黑洞相碰;另一次相碰的兩個黑洞，分別為太陽質量的85倍和66倍。當然，不管普通也罷，另類也罷，這些黑洞就其質量而言，都屬于恒星級黑洞。但也有人懷疑，所有這些黑洞質量差別如此之大，可能其中有一些是原始黑洞。換句話說，它們并非形成于恒星坍塌，而是形成于大爆炸?？上В覀兡壳斑€沒辦法甄別出來。

從宇宙誕生到誕生之后的幾分鐘，都具備原始黑洞形成的條件，所以它們在那短暫的時間里，一直在形成。它們也會對大爆炸后幾分之一秒內發生的許多事件產生影響。這些事件包括：大自然的四種基本作用力正彼此分道揚鑣（在更高的能量下，它們本來是統一的），呈現出我們現在所看到的最終形式;普通物質和暗物質各自的比例被確定下來;空間本身則經歷了一場指數式的暴脹。

然而，調查這個階段發生的事情是非常困難的。光學和射電望遠鏡永遠看不到那么遠的地方。因為根據標準宇宙學模型，宇宙大爆炸結束后即進入“黑暗時代”。那時的物質密度是如此之大，光子在傳播了很小一段距離后便會與其他光子或粒子相撞，形成新的粒子與反粒子（如電子-正電子對）。這種情況下，光不能長距離傳播。所以，這個時期的宇宙根本就透不出光來。要等到宇宙繼續膨脹，物質密度降低，光才有長距離傳播的可能，但那要等到大約30萬年之后了。

但探測宇宙的早期階段，對于理解宇宙的形成又是如此重要。前幾年，有一個小組興奮地宣布他們探測到了這一時期產生的引力波信號，可惜空歡喜一場，事后證明那不過是銀河系中塵埃的干擾信號。

原始黑洞作為宇宙誕生最初即留下的遺跡，或許能提供一種手段，可以讓我們追溯那些沒有其他方法可以探測的事件。這些事件發生在不同時期。因此，根據理論預

測，這些不同時期中形成的原始黑洞，其質量會有所不同（譬如，隨著時間推移，宇宙在膨脹，物質密度在降低，形成大質量原始黑洞的可能性就在不斷降低）。此外，每一個事件都會影響在那一瞬間形成的原始黑洞的數量。所以，比較不同質量的原始黑洞數量，應該能告訴我們當時發生了什么事情。

另外，原始黑洞的存在，使科學家聯想到暗物質。

暗物質這種神秘的物質與普通物質除了引力，沒有別的相互作用。它們占據了宇宙中物質總質量的85%。它們還是塑造星系的“腳手架”，正是它們的引力，把組成星系的普通物質吸聚在一起。但它們到底是什么呢？在過去半個世紀里，研究人員一直都在尋找暗物質粒子，但兩手空空，一無所獲。

近年來，一些研究人員在考慮暗物質是否可能就是原始黑洞。有人利用LIGO觀測到的黑洞合并的概率，計算出原始黑洞可能存在的數量。他們的估計表明，原始黑洞差不多可以填補暗物質所占的份額。所以他們猜測，原始黑洞可能就是暗物質。

話說回來，如果“行星九”真是一個原始黑洞，意味著我們不能用以往尋找行星的方法，而是需要新的搜索方法（因為即便它是一顆行星，我們目前也沒有搜到），就是用探測黑洞的辦法去找它。

如何用探測黑洞的辦法去找“行星九”呢？光學望遠鏡是永遠看不到一個黑洞的。X射線望遠鏡有機會發現黑洞，因為任何落入黑洞的物質都會加熱，并發出X射線脈沖。問題是這些閃光轉瞬即逝，需要我們在正確的時間朝正確的方向觀察才能發現。

還有一種發出穩定的X射線的可能，但依賴于一個假設：即原始黑洞是由暗物質組成的，而且組成暗物質的粒子是一種奇異粒子，它的反粒子是它自身，因此暗物質粒子與暗物質粒子接觸時，會相互湮滅。因為在黑洞引力作用下，暗物質傾向于聚集在黑洞周圍，暗物質比較集中，所以湮滅時，將穩定發射X射線或伽馬射線。而且，當黑洞運行時，這些射線也將在天空中移動。

不過上述說法太依賴于暗物質的性質了，而目前暗物質八字都還沒一撇。也許捕捉原始黑洞最好的方法還是借助于宇宙中最豐富的東西——引力。

最近，有科學家建議，用一隊太陽帆來探測外太陽系神秘引力的來源。他們的想法是，向“行星九”所在的區域派遣一隊太陽帆。太陽帆不需要燃料，它們僅僅依靠太陽光照射在帆上產生的壓力來驅動。太陽帆可以從太陽光那里得到強大的推力，足以在大約一年內駛到海王星軌道。當它們到達指定區域時，任何與預期軌跡的偏差可能會揭示那里大質量天體——不論是行星或黑洞——的存在。它們將為我們的望遠鏡提供一個精確的定位。然后，如果望遠鏡看到一點光，那就是行星;如果什么都沒看到，那就是黑洞。

總之，探測“行星九”意義重大。如果“行星九”確實是一個黑洞，根據計算，它的質量只有行星量級，那么它的直徑只有9厘米，大致相當于一個大蘋果。顯然，這樣的黑洞只能是原始黑洞。那也就順便證實了原始黑洞這種古老天體的存在，而這將可以一次性解決宇宙學中幾個最大的難題，其中包括解決暗物質的奧秘。

太陽帆