太陽系的「後院」裡有黑洞嗎？

編者按：黑洞是現代廣義相對論中，存在於宇宙空間中的一種天體。黑洞的引力極其強大，使得視界內的逃逸速度大於光速。銀河系中存在黑洞，那麼，我們所處的太陽系中有黑洞嗎？第九大行星會是黑洞嗎？距離地球最近的黑洞有多近？本文作者Dennis Overbye，原標題為" Is There a Black Hole in Our Backyard? "，希望對您有所啟發。

在疫情期間，天體物理學家最大的樂趣就是幻想有一個私人黑洞了。

儘管這可能是一廂情願的想法，但一些天文學家認為，我們的太陽系中可能潛伏著一個黑洞。大家一直在爭論如何找到它，以及如果它真的存在，該如何處理它。

這一猜測始於2016年，當時加州理工學院(California Institute of Technology)的天文學家邁克爾‧布朗(Michael Brown)和康斯坦丁‧巴蒂金(Konstantin Batygin)提出，在冥王星數十億英里之外的幾個冰球體的奇怪運動軌跡，可能是一種此前未知的天體運動的證據，這種天體存在於遙遠的黑暗之中。

根據他們的計算，該物體大約為地球的10倍大，會佔用一個蛋形的軌道，它離太陽近200億英里——是太陽和冥王星距離的幾倍。

布朗當時告訴《紐約時報》：「我們不知道它在軌道上的位置，這太糟糕了。」

布朗博士稱這顆假想的天體為第九行星。在那不久之前，冥王星還被認為是第九大行星，但布朗在柯伊伯帶髮現了其他常客，這在15年前將冥王星降級為矮行星的過程中發揮了重要作用。

不用說，還沒有人通過望遠鏡看到過這個東西。

去年，兩名天文學家——英國杜倫大學的雅各布‧肖爾茨和伊利諾斯大學芝加哥分校的詹姆斯‧安文——提出第九大行星可能實際上是一個黑洞。

黑洞是阿爾伯特‧愛因斯坦的方程式所預言的引力怪物，這種物體密度非常之大，連光都無法從中逃脫，進去就是毀滅。天文學家知道這種實體的存在。美國激光干涉引力波天文台（LIGO）探測器和歐洲Virgo探測器都觀測到過黑洞存在的證據。一些宇宙學家推測，黑洞可能佔宇宙質量的25%，並可能構成著名而又難以捉摸的「暗物質」，它決定了我們在天空中看到的東西的引力結構。

恆星不需要死亡才能產生黑洞。1971年，斯蒂芬‧霍金(StephenHawking)利用了俄羅斯物理學家雅科夫‧鮑裡索維奇‧澤爾多維奇(YakovBorisovichZel'dovich)和伊戈爾‧德米特裡耶維奇‧諾維科夫(IgorDmitriyevichNovikov)在1966年提出的一個想法，提出了大爆炸期間的高壓可能會直接將物質坍縮成黑洞的理論。這些原始的黑洞可能有任何大小，也可能在任何地方。一個和地球一樣大的黑洞在宇宙中大概只有一個乒乓球那麼大，很難被發現。

目前還沒有發現這樣的原始黑洞。但也沒有排除它們存在的可能性。肖爾茨和安文指出，波蘭華沙大學(UniversityofWarsaw)的一項名為OGLE的光學引力透鏡實驗(Optical引力透鏡實驗)發現，在我們銀河系中心的方向上存在著六七個黑暗物體。它們的引力場就像透鏡一樣，短暫地放大了從遙遠恆星飄到它們前面的光。

這些物體可能是自由漂浮的行星，質量從地球的一半到20倍不等。但天文學家們提出，它們也很可能是漂浮在星系周圍的原始黑洞。如果是這樣的話，假定的行星九很可能也是一個黑洞，在一個遙遠的軌道上繞太陽運行。

如何在宇宙中找到一個乒乓球？

這將使第九行星成為距離地球最近的黑洞，距離非常之近，只有幾光年，人類可以考慮向那裡發射一個機器人探測器，就像「新地平線」號經過冥王星和距離這裡40億英里的啞bbell冰山（現在被稱為Arrokoth）一樣。

但首先我們必須找到第九行星。今年早些時候，新澤西州普林斯頓高等研究院的理論物理學家愛德華‧威滕(Edward Witten)也加入了進來。威滕是為數不多的獲得著名的數學領域菲爾茲獎的物理學家，他因在有爭議的「萬物理論」(theoryofeverything)弦理論方面的工作而聞名。威滕建議借鑑俄羅斯慈善家尤里米爾納(YuriMilner)和霍金提出的「突破攝星」(BreakthroughStarshot)計畫中的一個技巧，向最近的恆星系統半人馬座阿爾法星系(AlphaCentauri)發射數千個激光推動的顯微鏡探測器。

威滕建議向外發射數百個類似的小型探測器，來探索太陽系。通過追蹤這些探測器發出的信號，地球上的科學家們將能夠知道當它們遇到第九大行星或其他行星的重力場時，它們是否會加速或減速，以及何時加速或減速。

實現這一計畫的關鍵在於，探測器能否精確地每十萬分之一秒對地球發出脈衝信號。今年5月，馬里蘭大學的天文學家Scott Lawrence和Zeeve Rogoszinski建議用高分辨率的射電望遠鏡來監測探測器的軌跡。

威滕在一封電子郵件中說:「所有這一切都是基於9號行星確實存在，並被證明是一個黑洞。同時，技術的發展足以使適當規模的『突破攝星』成為可能。」

在一封電子郵件中，他的同事尼瑪阿卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)稱這些想法「非常未來主義，但真的很酷。」

維拉‧魯賓(Vera Rubin)借我一雙慧眼

今年5月，哈佛大學(Harvard University)天文系主任、「突破攝星計畫」(Breakthrough Starshot enterprise)科學顧問委員會主席阿維‧勒布(Avi Loeb)給這個白日夢潑了一灘冷水。在他自己的帖子中，他和韓國科技大學（Korea University of Science and Technology）的提姆黃平君（Thiem Hoang）認為，星際介質中的摩擦和電磁力的影響（稀薄的帶電氣體在行星和恆星間飄蕩）會淹沒來自第九行星引力效應的信號。

但是，勒布對此很感興趣。他曾主張天文學家應該認真對待2017年從星際空間飄過太陽系的彗星狀物體「Oumuamua」實際上是外星太空探測器的可能性，這一想法在天文圈內很有名氣。

於是，在7月，勒布帶著學生阿米爾‧希拉吉(Amir Siraj)回來了，並提出了尋找第九行星黑洞的新想法。他們認為，如果有黑洞存在，它偶爾會撕裂小型彗星，引發明亮的耀斑，而新的維拉c魯賓天文台(Vera C. Rubin Observatory)可能很快就會發現這些耀斑。該天文台之前被稱為大型巡天望遠鏡(Large Synoptic Survey Telescope)，目前正在智利建設中。從2021年開始，該天文台的任務是拍攝一部宇宙電影，每隔幾天拍攝一次整個南部夜空的全景，並記錄所有變化或移動的東西。

他們指出，這樣的耀斑每年應該發生幾次。「我們的計算表明，耀斑的亮度將足以讓維拉魯賓天文台在用L.S.S.T.觀測天空的一年時間內，排除或確認第九行星是黑洞，」勒布在一封電子郵件中寫道。

此外，他們說，由於魯賓望遠鏡觀測的是非常大的一片天空，它可以探測或排除奧爾特雲以外所有類似大小的黑洞。奧爾特雲（Oort Cloud）是一個假設包圍著太陽系的球體雲團，佈滿著不少不活躍的彗星。

勒布在郵件中說，太陽系中存在黑洞的想法「就像發現證據表明，可能有人住在你後院的小屋裡一樣令人吃驚。如果真是這樣的話，那這個人是誰，又是怎麼到那兒去的？」

第九大行星真的是黑洞嗎？

如果這個理論被證明是正確的，那麼人類可以考慮發射一個探測器去研究我們身邊的黑洞也不是什麼瘋狂的想法。它會發現什麼呢？

對許多天體物理學家和引力專家來說，當務之急是檢驗霍金46年前的一個預測，即黑洞，不管它的名字是什麼，都應該以熱的形式輻射能量。幾乎所有的天體物理學家都相信，這個預言會被證實，但事實並非如此。對於LIGO和Virgo觀測到的巨大黑洞來說，這種效應是微乎其微的，因此是無法分辨的。但較小的黑洞溫度更高，而且在縮小最終爆炸的過程中，溫度會越來越高。

威滕說，一個質量大約是地球6倍的黑洞的溫度大約為0.04開爾文。這比外層空間的溫度要低，外層空間的溫度大約是3開氏度。要想從地球上測量到這個溫度，還是太低了。

「要近距離測量是一個挑戰，」威滕說。「但在本世紀末完成也不是不可能。」

他補充說，「我認為，人們需要一個巨大質量的航天器繞著它運行，並對它進行詳細研究，而不是一個小型航天器飛過而已。」

幾年前，在哈佛大學黑洞計畫的一次演講中，勒布開玩笑地談到了另一種可能，即去黑洞進行實地考察。他在一封電子郵件中回憶道:「由於黑洞提供了一個可以測試弦理論的罕見環境，我建議我的弦理論朋友們進入黑洞的視界，在那裡測試這個的理論。Nima Arkani-Hamed從觀眾席喊道，我一定有一個把弦理論學家送入黑洞的秘密議程。」

現在，布朗是最後發言者，他是第九大行星的推動者，當被提及時，他承認第九大行星可能是一個黑洞。「但這沒有意義，」他說。「我猜，九號行星也有可能是一個重6個地球質量的『漢堡包』。」

他補充說：「好消息是，第九大行星真的、真的、真的不太可能是黑洞，但一旦發現它，我們還是可以使用這樣的探測器來研究它。」

譯者：Jane

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