在冥王星被剔除出九大行星的行列后，對于太陽(yáng)系中是否存在第九行星、如果存在，這顆星體又是什么來(lái)頭，天文學(xué)家展開(kāi)了激烈的討論。在一項近期發(fā)表于預印本網(wǎng)站的研究中，英國杜倫大學(xué)的物理學(xué)家雅各布·舒爾茨(Jakub Scholtz)與美國伊利諾斯大學(xué)的杰姆斯·恩溫(James Unwin)提出了一個(gè)大膽的設想：太陽(yáng)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(lián)合會(huì )上，曾經(jīng)的第九行星冥王星被剔除出行星行列。這是因為在 2005 年，天文學(xué)家發(fā)現鬩神星(小行星序號：136199 Eris)質(zhì)量比冥王星質(zhì)量高出 27%。這意味著(zhù)，如果冥王星是第九大行星的話(huà)，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(chēng)為行星。這樣一來(lái)，行星就太多了，而且看起來(lái)不易于管理。

　　面對如此的現實(shí)情況，國際天文聯(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伍，將其劃分為矮行星(也叫類(lèi)冥天體)。冥王星成為矮行星以后，獲得了一個(gè)編號：134340 Pluto。

　　與此同時(shí)，天文學(xué)家發(fā)現了當時(shí)在太陽(yáng)系中最遠的天體：賽德娜(Sedna)。它離太陽(yáng)最近 76 個(gè)天文單位。(地球到太陽(yáng)的距離為 1 個(gè)天文單位。相比之下，冥王星到太陽(yáng)的距離為 40 個(gè)天文單位)一個(gè)值得關(guān)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(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)現大量類(lèi)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(xué)家猜測，在海王星外的柯伊伯帶，應該有一個(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。

假想存在的十號行星軌道圖。

　　但是，這個(gè)大質(zhì)量天體到底是什么?天文學(xué)界對此還沒(méi)有共識，只不過(guò)大家猜想這個(gè)大質(zhì)量天體就是太陽(yáng)系第 9 大行星，暫時(shí)取名為 P9(因為它還沒(méi)被觀(guān)測到，所以沒(méi)有正式的名字)。從質(zhì)量上來(lái)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(guān)測來(lái)說(shuō)，P9 質(zhì)量大約是5~15 個(gè)地球質(zhì)量，它距離太陽(yáng)有 300~1000 個(gè)地日距離。據此推測，其繞太陽(yáng)公轉周期大約為 3 萬(wàn)年。

　　在地球上的光學(xué)引力透鏡實(shí)驗(OGLE)也在這一區域觀(guān)測到了一系列引力異?，F象。有至少 6 個(gè)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(shí)驗表明，這一區域可能存在一個(gè)自由漂浮行星或者太陽(yáng)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(lái)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 就是在當地形成的。但天文學(xué)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(zhì)量的行星，既沒(méi)有足夠的物質(zhì)，也沒(méi)有足夠的時(shí)間，所以當地形成的可能性極低。

　　另外一種可能是，P9 是路過(guò)的星體，被太陽(yáng)系的引力場(chǎng)俘獲了。換句話(huà)說(shuō)，它是一個(gè)過(guò)客。

　　這個(gè)過(guò)客可能是自由漂浮行星，它可能在路過(guò)太陽(yáng)系的時(shí)候被太陽(yáng)的引力場(chǎng)俘獲。在最新的論文中，舒爾茨與合作者計算了太陽(yáng)對這個(gè)行星的俘獲概率。他們發(fā)現，如果原初黑洞在暗物質(zhì)中的占比是5% 的話(huà)，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(kāi)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(zhù)宇宙的演化，這些黑洞的種子會(huì )不斷吸積周?chē)牧Ｗ?，從而形成原初黑洞?/p>

　　原初黑洞可以長(cháng)大，也可以縮小——因為霍金輻射的存在，很多原初黑洞還沒(méi)長(cháng)大，就蒸發(fā)掉了，而少部分原初黑洞則可能長(cháng)大為巨型黑洞。

　　如果原初黑洞長(cháng)到現在，到底有多大呢?物理學(xué)家并不十分清晰的對此并不確定。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(méi)有因為霍金輻射而蒸發(fā)殆盡，那么現在它的質(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(guān)測到的 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(yáng)公轉?

　　因此，P9 如果是原初黑洞，那么它的質(zhì)量是合理的，而且因為原初黑洞不會(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(kāi)爾文，所以我們不可能通過(guò)霍金輻射來(lái)找到這個(gè)原初黑洞。這也解釋了為什么人類(lèi)無(wú)法直接用光學(xué)手段看到 P9，而只能用引力場(chǎng)效應來(lái)推測它的存在。

　　那么，剩下的問(wèn)題是，從概率的角度來(lái)說(shuō)，在太陽(yáng)系中能出現原初黑洞嗎?

　　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(guò) 10%。這是有嚴格的天文觀(guān)測限制的。”

　　根據目前的天文觀(guān)測，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(yáng)系內，暗物質(zhì)總質(zhì)量是多少呢?

　　這個(gè)數字可以用暗物質(zhì)的密度與太陽(yáng)系體積的乘積來(lái)計算。我們知道，在太陽(yáng)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(yáng)系半徑為 300 個(gè)地日距離來(lái)估算，太陽(yáng)系內的暗物質(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(lái)估算，P9 的總質(zhì)量是3*10^25 千克。這說(shuō)明它的質(zhì)量遠遠超過(guò)了太陽(yáng)系內暗物質(zhì)的總質(zhì)量。所以，P9 如果是在太陽(yáng)系內形成的原初黑洞，這是不太可能的。而如果它是路過(guò)太陽(yáng)系時(shí)被太陽(yáng)系俘獲的，至少這在概率上還說(shuō)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?chē)鷷?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，作者認為可以通過(guò)觀(guān)測這些光子來(lái)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(cháng)的路要走。
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