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太陽系的第九行星,竟可能是一個(gè)黑洞?

www.help-services.cn  2019-10-04 12:17  
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(duì)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(xué)家展開了激烈的討論。在一項(xiàng)近期發(fā)表于預(yù)印本網(wǎng)站的研究中,英國(guó)杜倫大學(xué)的物理學(xué)家雅各布·舒爾茨(Jakub Scholtz)與美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的杰姆斯·恩溫(James Unwin)提出了一個(gè)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。

  第九大行星之謎

  2006年,在第26屆國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)上,曾經(jīng)的第九行星冥王星被剔除出行星行列。這是因?yàn)樵?005年,天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)鬩神星(小行星序號(hào):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(duì)如此的現(xiàn)實(shí)情況,國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)(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(duì)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(gè)編號(hào):134340 Pluto。

  與此同時(shí),天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)在太陽系中最遠(yuǎn)的天體:賽德娜(Sedna)。它離太陽最近76個(gè)天文單位。(地球到太陽的距離為 1 個(gè)天文單位。相比之下,冥王星到太陽的距離為40個(gè)天文單位)一個(gè)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(yuǎn),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(xué)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(xué)家猜測(cè),在海王星外的柯伊伯帶,應(yīng)該有一個(gè)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(hào)行星軌道圖。(圖片來源: Heather Roper/LPL)

  但是,這個(gè)大質(zhì)量天體到底是什么?天文學(xué)界對(duì)此還沒有共識(shí),只不過大家猜想這個(gè)大質(zhì)量天體就是太陽系第9大行星,暫時(shí)取名為P9(因?yàn)樗沒被觀測(cè)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(jí)別。從目前的觀測(cè)來說,P9質(zhì)量大約是5~15個(gè)地球質(zhì)量,它距離太陽有300~1000個(gè)地日距離。據(jù)此推測(cè),其繞太陽公轉(zhuǎn)周期大約為3萬年。

  在地球上的光學(xué)引力透鏡實(shí)驗(yàn)(OGLE)也在這一區(qū)域觀測(cè)到了一系列引力異,F(xiàn)象。有至少6個(gè)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(shí)驗(yàn)表明,這一區(qū)域可能存在一個(gè)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(gè)地球質(zhì)量之間。因此,第九大行星的猜想看起來不是一個(gè)巧合,而是一個(gè)事實(shí)。

  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(dāng)?shù)匦纬傻。但天文學(xué)家計(jì)算了當(dāng)?shù)匦纬傻母怕收J(rèn)為,在那么遙遠(yuǎn)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(shí)間,所以當(dāng)?shù)匦纬傻目赡苄詷O低。

  另外一種可能是,P9是路過的星體,原始哈卡萊神像被太陽系的引力場(chǎng)俘獲了。?句話說,它是一個(gè)過客。

  這個(gè)過客可能是自由漂浮行星,它可能在路過太陽系的時(shí)候被太陽的引力場(chǎng)俘獲。在最新的論文中,舒爾茨與合作者計(jì)算了太陽對(duì)這個(gè)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(gè)自由漂浮的行星也可能是一個(gè)原初黑洞。

  原初黑洞是在宇宙暴脹時(shí)期開始形成的,物理學(xué)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(gè)特殊的漲落,當(dāng)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(huì)不斷吸積周圍的粒子,從而形成原初黑洞。

  原初黑洞可以長(zhǎng)大,也可以縮小——因?yàn)榛艚疠椛涞拇嬖,很多原初黑洞還沒長(zhǎng)大,就蒸發(fā)掉了,而少部分原初黑洞則可能長(zhǎng)大為巨型黑洞。

  如果原初黑洞長(zhǎng)到現(xiàn)在,到底有多大呢?物理學(xué)家并不十分清晰的對(duì)此并不確定。但香港科技大學(xué)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?yàn)榛艚疠椛涠舭l(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(gè)最小質(zhì)量有一個(gè)下限,大概是10^12千克,小于地球質(zhì)量!

  所以,目前觀測(cè)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(gè)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?yàn)樵鹾诙床粫?huì)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(gè)原初黑洞。這也解釋了為什么人類無法直接用光學(xué)手段看到P9,而只能用引力場(chǎng)效應(yīng)來推測(cè)它的存在。

  那么,剩下的問題是,原始哈卡萊神像從概率的角度來說,在太陽系中能出現(xiàn)原初黑洞嗎?

  王一告訴《環(huán)球科學(xué)》:“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(huì)超過10%。這是有嚴(yán)格的天文觀測(cè)限制的!

  根據(jù)目前的天文觀測(cè),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(gè)數(shù)字可以用暗物質(zhì)的密度與太陽系體積的乘積來計(jì)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(gè)質(zhì)子質(zhì)量的暗物質(zhì)。按照太陽系半徑為 300個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)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(rèn)為,如果P9是原初黑洞,在它的周圍會(huì)有一個(gè)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(huì)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(rèn)為可以通過觀測(cè)這些光子來確定這個(gè)原初黑洞的蹤跡。

  因此,要證實(shí)第九大行星是原初黑洞,還有很長(zhǎng)的路要走。

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