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太阳系的“后院”里有黑洞吗？

晰数塔互联网快讯
2020-10-09 15:21

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编者按：黑洞是现代广义相对论中，存在于宇宙空间中的一种天体。黑洞的引力极其强大，使得视界内的逃逸速度大于光速。银河系中存在黑洞，那么，我们所处的太阳系中有黑洞吗？第九大行星会是黑洞吗？距离地球最近的黑洞有多近？本文作者Dennis Overbye，原标题为" Is There a Black Hole in Our Backyard? "，希望对您有所启发。

在疫情期间，天体物理学家最大的乐趣就是幻想有一个私人黑洞了。

尽管这可能是一厢情愿的想法，但一些天文学家认为，我们的太阳系中可能潜伏着一个黑洞。大家一直在争论如何找到它，以及如果它真的存在，该如何处理它。

这一猜测始于2016年，当时加州理工学院(California Institute of Technology)的天文学家迈克尔·布朗(Michael Brown)和康斯坦丁·巴蒂金(Konstantin Batygin)提出，在冥王星数十亿英里之外的几个冰球体的奇怪运动轨迹，可能是一种此前未知的天体运动的证据，这种天体存在于遥远的黑暗之中。

根据他们的计算，该物体大约为地球的10倍大，会占用一个蛋形的轨道，它离太阳近200亿英里——是太阳和冥王星距离的几倍。

布朗当时告诉《纽约时报》：“我们不知道它在轨道上的位置，这太糟糕了。”

布朗博士称这颗假想的天体为第九行星。在那不久之前，冥王星还被认为是第九大行星，但布朗在柯伊伯带发现了其他常客，这在15年前将冥王星降级为矮行星的过程中发挥了重要作用。

不用说，还没有人通过望远镜看到过这个东西。

去年，两名天文学家——英国杜伦大学的雅各布·肖尔茨和伊利诺斯大学芝加哥分校的詹姆斯·安文——提出第九大行星可能实际上是一个黑洞。

黑洞是阿尔伯特·爱因斯坦的方程式所预言的引力怪物，这种物体密度非常之大，连光都无法从中逃脱，进去就是毁灭。天文学家知道这种实体的存在。美国激光干涉引力波天文台（LIGO）探测器和欧洲Virgo探测器都观测到过黑洞存在的证据。一些宇宙学家推测，黑洞可能占宇宙质量的25%，并可能构成著名而又难以捉摸的“暗物质”，它决定了我们在天空中看到的东西的引力结构。

恒星不需要死亡才能产生黑洞。1971年，斯蒂芬·霍金(StephenHawking)利用了俄罗斯物理学家雅科夫·鲍里索维奇·泽尔多维奇(YakovBorisovichZel’dovich)和伊戈尔·德米特里耶维奇·诺维科夫(IgorDmitriyevichNovikov)在1966年提出的一个想法，提出了大爆炸期间的高压可能会直接将物质坍缩成黑洞的理论。这些原始的黑洞可能有任何大小，也可能在任何地方。一个和地球一样大的黑洞在宇宙中大概只有一个乒乓球那么大，很难被发现。

目前还没有发现这样的原始黑洞。但也没有排除它们存在的可能性。肖尔茨和安文指出，波兰华沙大学(UniversityofWarsaw)的一项名为OGLE的光学引力透镜实验(Optical引力透镜实验)发现，在我们银河系中心的方向上存在着六七个黑暗物体。它们的引力场就像透镜一样，短暂地放大了从遥远恒星飘到它们前面的光。

这些物体可能是自由漂浮的行星，质量从地球的一半到20倍不等。但天文学家们提出，它们也很可能是漂浮在星系周围的原始黑洞。如果是这样的话，假定的行星九很可能也是一个黑洞，在一个遥远的轨道上绕太阳运行。

如何在宇宙中找到一个乒乓球？

这将使第九行星成为距离地球最近的黑洞，距离非常之近，只有几光年，人类可以考虑向那里发射一个机器人探测器，就像“新地平线”号经过冥王星和距离这里40亿英里的哑bbell冰山（现在被称为Arrokoth）一样。

但首先我们必须找到第九行星。今年早些时候，新泽西州普林斯顿高等研究院的理论物理学家爱德华·威滕(Edward Witten)也加入了进来。威滕是为数不多的获得著名的数学领域菲尔兹奖的物理学家，他因在有争议的“万物理论”(theoryofeverything)弦理论方面的工作而闻名。威滕建议借鉴俄罗斯慈善家尤里米尔纳(YuriMilner)和霍金提出的“突破摄星”(BreakthroughStarshot)计划中的一个技巧，向最近的恒星系统半人马座阿尔法星系(AlphaCentauri)发射数千个激光推动的显微镜探测器。

威滕建议向外发射数百个类似的小型探测器，来探索太阳系。通过追踪这些探测器发出的信号，地球上的科学家们将能够知道当它们遇到第九大行星或其他行星的重力场时，它们是否会加速或减速，以及何时加速或减速。

实现这一计划的关键在于，探测器能否精确地每十万分之一秒对地球发出脉冲信号。今年5月，马里兰大学的天文学家Scott Lawrence和Zeeve Rogoszinski建议用高分辨率的射电望远镜来监测探测器的轨迹。

威滕在一封电子邮件中说:“所有这一切都是基于9号行星确实存在，并被证明是一个黑洞。同时，技术的发展足以使适当规模的‘突破摄星’成为可能。”

在一封电子邮件中，他的同事尼玛阿卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)称这些想法“非常未来主义，但真的很酷。”

维拉·鲁宾(Vera Rubin)借我一双慧眼

今年5月，哈佛大学(Harvard University)天文系主任、“突破摄星计划”(Breakthrough Starshot enterprise)科学顾问委员会主席阿维·勒布(Avi Loeb)给这个白日梦泼了一滩冷水。在他自己的帖子中，他和韩国科技大学（Korea University of Science and Technology）的提姆黄平君（Thiem Hoang）认为，星际介质中的摩擦和电磁力的影响（稀薄的带电气体在行星和恒星间飘荡）会淹没来自第九行星引力效应的信号。

但是，勒布对此很感兴趣。他曾主张天文学家应该认真对待2017年从星际空间飘过太阳系的彗星状物体“Oumuamua”实际上是外星太空探测器的可能性，这一想法在天文圈内很有名气。

于是，在7月，勒布带着学生阿米尔·希拉吉(Amir Siraj)回来了，并提出了寻找第九行星黑洞的新想法。他们认为，如果有黑洞存在，它偶尔会撕裂小型彗星，引发明亮的耀斑，而新的维拉c鲁宾天文台(Vera C. Rubin Observatory)可能很快就会发现这些耀斑。该天文台之前被称为大型巡天望远镜(Large Synoptic Survey Telescope)，目前正在智利建设中。从2021年开始，该天文台的任务是拍摄一部宇宙电影，每隔几天拍摄一次整个南部夜空的全景，并记录所有变化或移动的东西。

他们指出，这样的耀斑每年应该发生几次。“我们的计算表明，耀斑的亮度将足以让维拉鲁宾天文台在用L.S.S.T.观测天空的一年时间内，排除或确认第九行星是黑洞，”勒布在一封电子邮件中写道。

此外，他们说，由于鲁宾望远镜观测的是非常大的一片天空，它可以探测或排除奥尔特云以外所有类似大小的黑洞。奥尔特云（Oort Cloud）是一个假设包围着太阳系的球体云团，布满着不少不活跃的彗星。

勒布在邮件中说，太阳系中存在黑洞的想法“就像发现证据表明，可能有人住在你后院的小屋里一样令人吃惊。如果真是这样的话，那这个人是谁，又是怎么到那儿去的？”

第九大行星真的是黑洞吗？

如果这个理论被证明是正确的，那么人类可以考虑发射一个探测器去研究我们身边的黑洞也不是什么疯狂的想法。它会发现什么呢？

对许多天体物理学家和引力专家来说，当务之急是检验霍金46年前的一个预测，即黑洞，不管它的名字是什么，都应该以热的形式辐射能量。几乎所有的天体物理学家都相信，这个预言会被证实，但事实并非如此。对于LIGO和Virgo观测到的巨大黑洞来说，这种效应是微乎其微的，因此是无法分辨的。但较小的黑洞温度更高，而且在缩小最终爆炸的过程中，温度会越来越高。

威滕说，一个质量大约是地球6倍的黑洞的温度大约为0.04开尔文。这比外层空间的温度要低，外层空间的温度大约是3开氏度。要想从地球上测量到这个温度，还是太低了。

“要近距离测量是一个挑战，”威滕说。“但在本世纪末完成也不是不可能。”

他补充说，“我认为，人们需要一个巨大质量的航天器绕着它运行，并对它进行详细研究，而不是一个小型航天器飞过而已。”

几年前，在哈佛大学黑洞计划的一次演讲中，勒布开玩笑地谈到了另一种可能，即去黑洞进行实地考察。他在一封电子邮件中回忆道:“由于黑洞提供了一个可以测试弦理论的罕见环境，我建议我的弦理论朋友们进入黑洞的视界，在那里测试这个的理论。Nima Arkani-Hamed从观众席喊道，我一定有一个把弦理论学家送入黑洞的秘密议程。”

现在，布朗是最后发言者，他是第九大行星的推动者，当被提及时，他承认第九大行星可能是一个黑洞。“但这没有意义，”他说。“我猜，九号行星也有可能是一个重6个地球质量的‘汉堡包’。”

他补充说：“好消息是，第九大行星真的、真的、真的不太可能是黑洞，但一旦发现它，我们还是可以使用这样的探测器来研究它。”

译者：Jane