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太陽系的第九行星,竟可能是一個黑洞?

文章來源:未知

作者:老鐵SEO

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2019-10-06

原初黑洞的藝術圖原初黑洞的藝術圖

  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。在一項近期發表于預印本網站的研究中,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想:太陽系中的第九大行星,可能是一顆原初黑洞。

  第九大行星之謎

  2006年,在第26屆國際天文聯合會上,曾經的第九行星冥王星被剔除出行星行列。這是因為在2005年,天文學家發現鬩神星(小行星序號:136199 Eris)質量比冥王星質量高出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。

  面對如此的現實情況,國際天文聯合會(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,天文學家發現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)一個值得關注的現象是,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??紤]到它距離木星與海王星都很遙遠,已經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生的?

  隨后,天文學家又發現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,應該有一個質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)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質量大約是5~15個地球質量,它距離太陽有300~1000個地日距離。據此推測,其繞太陽公轉周期大約為3萬年。

  在地球上的光學引力透鏡實驗(OGLE)也在這一區域觀測到了一系列引力異?,F象。有至少6個微引力透鏡事件都指出,在這一區域存在引力異常。引力透鏡實驗表明,這一區域可能存在一個自由漂浮行星或者太陽系的第九大行星,而且其質量范圍也落在5~15個地球質量之間。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就是在當地形成的。但天文學家計算了當地形成的概率認為,在那么遙遠的距離,形成如此大質量的行星,既沒有足夠的物質,也沒有足夠的時間,所以當地形成的可能性極低。

  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。他們發現,如果原初黑洞在暗物質中的占比是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殆盡,那么現在它的質量可以非常大,也可以比較小——但這個最小質量有一個下限,大概是10^12千克,小于地球質量。”

  所以,目前觀測到的P9的質量范圍是合適的,它可以是原初黑洞。如果P9的質量是5倍地球質量,那么作為原初黑洞,它的半徑大概是45毫米——差不多與一個網球一樣大。

  原初黑洞繞太陽公轉?

  因此,P9如果是原初黑洞,那么它的質量是合理的,而且因為原初黑洞不會發光,5倍地球質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,在太陽系中能出現原初黑洞嗎?

  王一告訴《環球科學》:“原初黑洞是暗物質候選者之一,但在暗物質組分中,與地球質量差不多的原初黑洞在暗物質中的比例不會超過10%。這是有嚴格的天文觀測限制的。”

  根據目前的天文觀測,原初黑洞在暗物質中的占比大概是0.5%~10%之間。

  那么,在太陽系內,暗物質總質量是多少呢?

  這個數字可以用暗物質的密度與太陽系體積的乘積來計算。我們知道,在太陽系中暗物質的平均密度是:每3立方厘米大概有1個質子質量的暗物質。按照太陽系半徑為 300個地日距離來估算,太陽系內的暗物質含量大約是6.21*10^19千克。

  如果P9是原初黑洞,以它的質量為5倍地球質量來估算,P9的總質量是3*10^25千克。這說明它的質量遠遠超過了太陽系內暗物質的總質量。所以,P9如果是在太陽系內形成的原初黑洞,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的暈,這些暗物質的高密度比別的區域要高很多,所以有可能會相互碰撞而湮滅。湮滅就是正反物質碰到一起,變成能量。在一些湮滅產物的模型中,暗物質可以湮滅成光子。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。

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