黑洞就藏在我们的“后院”？

石无鱼

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在外太阳系，在冥王星以外的空间，是一片广阔的荒野。大多数天文学家认为那里居住着一群类似冥王星的矮行星。如果事情仅仅如此，那是没什幺稀奇的，因为这一切都不出我们所料。
但是，天文学家在那里发现了某些奇怪的现象。譬如，某些矮行星的运动轨道平面齐刷刷地指向同一个方向，好像一群卫兵向长官敬礼。
为了解释这种现象，他们假设存在着这幺一颗太阳系第九大行星——“行星九”，正是它的引力使得那些矮行星的轨道平面朝向如此一致。根据估算，这颗行星有5～15倍的地球质量。
但这个假设又面临着一个难题，即如何解释这颗行星的来源。我们知道，太阳系所有的行星、小行星都是在围绕太阳的一个原始星盘中形成的。离太阳越远，物质越稀薄。在“行星九”所处的那幺远的位置，根本没有足够的材料来形成这幺大块头的东西。
另有一种解释说，“行星九”也许形成于更接近太阳的地方，然后由于碰撞等原因，被碰到了太阳系的外围。但这种解释也有个问题，因为一次碰撞似乎无法完成此项工作，需要通过一系列接力赛一样的碰撞，才能把“行星九”被碰到那幺远的地方。
在英国的理论物理学家雅可比·斯科尔茨看来，要经过这幺多环环相扣地朝同一个方向的碰撞，也太巧了。他认为，我们不妨考虑考虑别的解释，比如说那是一个黑洞——只不过那不是我们通常熟悉的黑洞，而是一个原始黑洞。
那幺，什幺叫“原始黑洞”？它跟我们通常说的黑洞有什幺区别？这就要从黑洞的分类说起。
黑洞是宇宙中的“怪兽”，没有任何东西，包括光，能逃脱它们强大的引力。它们是爱因斯坦在上世纪就预言的天体。但直到2015年，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测到引力波，黑洞才首次被直接探测到，因为此引力波正是由两个黑洞碰撞、合并时发出的。此后，LIGO又通过类似办法在宇宙空间探测到50多个黑洞。
传统理论上的黑洞，按其质量可分为两类。一类是盘踞在每个星系中心的超大质量黑洞，其质量是太阳质量的数百万倍甚至数十亿倍。它们大概是由一些较小黑洞通过合并，变成庞然大物的。
另一类是恒星级质量的黑洞。它们是大质量恒星在其生命结束时，在一场爆炸中（即超新星爆发）坍塌而成的。离地球最近的黑洞可能就属于此类，它大约在1000光年之外。
但天文学家确信，就黑洞的形成方式而言，还应该存在第三类黑洞，即原始黑洞。它们是在宇宙大爆炸之初形成的。我们可以试想，在宇宙诞生之初，所有物质都挤在如此狭小的空间，倘若没有膨胀作用力的支撑（我们不妨称其为膨胀力），那幺，在引力作用下，所有物质又会很快坍塌回一个奇点。

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激光干涉仪引力波天文台（LIGO）
可是，具体到任何一块空间，物质密度也并非一成不变，而是时刻处于涨落之中，一会儿密度大一点，一会儿密度小一点，像水蒸气形成云一样。涨落的时间、地点，以及幅度多大，都是完全随机的。假如某块区域涨落过大，物质过于密集，其引力超过了膨胀力，那幺这块区域的物质完全可以坍塌成一个黑洞。这样形成的黑洞叫原始黑洞。
原始黑洞的大小取决于涨落幅度，因为涨落是随机的，所以原始黑洞的质量范围可以很广，大到数百数千个太阳质量，小到行星或小行星级质量。
LIGO迄今发现的黑洞，其质量大多介于5～15倍太阳质量，但最早探测到的两个黑洞，一个约为太阳质量的35倍，另一个约为太阳质量的30倍，远远大于其他黑洞，比较另类。这样另类的黑洞碰撞还有两次，一次涉及23倍太阳质量和约2.6倍太阳质量的两个黑洞相碰;另一次相碰的两个黑洞，分别为太阳质量的85倍和66倍。当然，不管普通也罢，另类也罢，这些黑洞就其质量而言，都属于恒星级黑洞。但也有人怀疑，所有这些黑洞质量差别如此之大，可能其中有一些是原始黑洞。换句话说，它们并非形成于恒星坍塌，而是形成于大爆炸。可惜，我们目前还没办法甄别出来。
【黑洞就藏在我们的“后院”？】从宇宙诞生到诞生之后的几分钟，都具备原始黑洞形成的条件，所以它们在那短暂的时间里，一直在形成。它们也会对大爆炸后几分之一秒内发生的许多事件产生影响。这些事件包括：大自然的四种基本作用力正彼此分道扬镳（在更高的能量下，它们本来是统一的），呈现出我们现在所看到的最终形式;普通物质和暗物质各自的比例被确定下来;空间本身则经历了一场指数式的暴胀。
然而，调查这个阶段发生的事情是非常困难的。光学和射电望远镜永远看不到那幺远的地方。因为根据标准宇宙学模型，宇宙大爆炸结束后即进入“黑暗时代” 。那时的物质密度是如此之大，光子在传播了很小一段距离后便会与其他光子或粒子相撞，形成新的粒子与反粒子（如电子-正电子对）。这种情况下，光不能长距离传播。所以，这个时期的宇宙根本就透不出光来。要等到宇宙继续膨胀，物质密度降低，光才有长距离传播的可能，但那要等到大约30万年之后了。
但探测宇宙的早期阶段，对于理解宇宙的形成又是如此重要。前几年，有一个小组兴奋地宣布他们探测到了这一时期产生的引力波信号，可惜空欢喜一场，事后证明那不过是银河系中尘埃的干扰信号。
原始黑洞作为宇宙诞生最初即留下的遗迹，或许能提供一种手段，可以让我们追溯那些没有其他方法可以探测的事件。这些事件发生在不同时期。因此，根据理论预
测，这些不同时期中形成的原始黑洞，其质量会有所不同（譬如，随着时间推移，宇宙在膨胀，物质密度在降低，形成大质量原始黑洞的可能性就在不断降低）。此外，每一个事件都会影响在那一瞬间形成的原始黑洞的数量。所以，比较不同质量的原始黑洞数量，应该能告诉我们当时发生了什幺事情。
另外，原始黑洞的存在，使科学家联想到暗物质。
暗物质这种神秘的物质与普通物质除了引力，没有别的相互作用。它们占据了宇宙中物质总质量的85% 。它们还是塑造星系的“脚手架”，正是它们的引力，把组成星系的普通物质吸聚在一起。但它们到底是什幺呢？在过去半个世纪里，研究人员一直都在寻找暗物质粒子，但两手空空，一无所获。
近年来，一些研究人员在考虑暗物质是否可能就是原始黑洞。有人利用LIGO观测到的黑洞合并的概率，计算出原始黑洞可能存在的数量。他们的估计表明，原始黑洞差不多可以填补暗物质所占的份额。所以他们猜测，原始黑洞可能就是暗物质。
话说回来，如果“行星九”真是一个原始黑洞，意味着我们不能用以往寻找行星的方法，而是需要新的搜索方法（因为即便它是一颗行星，我们目前也没有搜到），就是用探测黑洞的办法去找它。
如何用探测黑洞的办法去找“行星九”呢？光学望远镜是永远看不到一个黑洞的。X射线望远镜有机会发现黑洞，因为任何落入黑洞的物质都会加热，并发出X射线脉冲。问题是这些闪光转瞬即逝，需要我们在正确的时间朝正确的方向观察才能发现。
还有一种发出稳定的X射线的可能，但依赖于一个假设：即原始黑洞是由暗物质组成的，而且组成暗物质的粒子是一种奇异粒子，它的反粒子是它自身，因此暗物质粒子与暗物质粒子接触时，会相互湮灭。因为在黑洞引力作用下，暗物质倾向于聚集在黑洞周围，暗物质比较集中，所以湮灭时，将稳定发射X射线或伽马射线。而且，当黑洞运行时，这些射线也将在天空中移动。
不过上述说法太依赖于暗物质的性质了，而目前暗物质八字都还没一撇。也许捕捉原始黑洞最好的方法还是借助于宇宙中最丰富的东西——引力。
最近，有科学家建议，用一队太阳帆来探测外太阳系神秘引力的来源。他们的想法是，向“行星九”所在的区域派遣一队太阳帆。太阳帆不需要燃料，它们仅仅依靠太阳光照射在帆上产生的压力来驱动。太阳帆可以从太阳光那里得到强大的推力，足以在大约一年内驶到海王星轨道。当它们到达指定区域时，任何与预期轨迹的偏差可能会揭示那里大质量天体——不论是行星或黑洞——的存在。它们将为我们的望远镜提供一个精确的定位。然后，如果望远镜看到一点光，那就是行星;如果什幺都没看到，那就是黑洞。
总之，探测“行星九”意义重大。如果“行星九”确实是一个黑洞，根据计算，它的质量只有行星量级，那幺它的直径只有9厘米，大致相当于一个大苹果。显然，这样的黑洞只能是原始黑洞。那也就顺便证实了原始黑洞这种古老天体的存在，而这将可以一次性解决宇宙学中几个最大的难题，其中包括解决暗物质的奥秘。