原初黑洞的艺术图
撰文：张华
在冥王星被剔除出九大行星的行列后，对于太阳系中是否存在第九行星、如果存在，这颗星体又是什么来头，天文学家展开了激烈的讨论。在一项近期发表于预印本网站的研究中，英国杜伦大学的物理学家雅各布·舒尔茨（Jakub Scholtz）与美国伊利诺斯大学的杰姆斯·恩温（James Unwin）提出了一个大胆的设想：太阳系中的第九大行星，可能是一颗原初黑洞。
第九大行星之谜
2006 年，在第 26 届国际天文联合会上，曾经的第九行星冥王星被剔除出行星行列。这是因为在 2005 年，天文学家发现阋神星（小行星序号：136199 Eris）质量比冥王星质量高出 27%。这意味着，如果冥王星是第九大行星的话，那么阋神星就应该是第十大行星，这样下去在海王星外围有很多这样的小天体都可以被称为行星。这样一来，行星就太多了，而且看起来不易于管理。
面对如此的现实情况，国际天文联合会（IAU）正式更新行星的定义，新定义将冥王星剔除出了行星的队伍，将其划分为矮行星（也叫类冥天体）。冥王星成为矮行星以后，获得了一个编号：134340 Pluto。
与此同时，天文学家发现了当时在太阳系中最远的天体：赛德娜（Sedna）。它离太阳最近 76 个天文单位。（地球到太阳的距离为 1 个天文单位。相比之下，冥王星到太阳的距离为 40 个天文单位）一个值得关注的现象是，赛德娜的轨道平面与其他八大行星的轨道具有很大的夹角。考虑到它距离木星与海王星都很遥远，已经几乎不受木星与海王星的引力影响，那么它的大轨道倾角是如何产生的？
随后，天文学家又发现大量类似于赛德娜的小行星都具有很大的轨道倾角（几乎与地球公转轨道面成 50 度）。于是天文学家猜测，在海王星外的柯伊伯带，应该有一个质量比较大的天体将赛德娜等小行星拖到了高轨道夹角的位置。
假想存在的十号行星轨道图。图片来源: Heather Roper/LPL
但是，这个大质量天体到底是什么？天文学界对此还没有共识，只不过大家猜想这个大质量天体就是太阳系第 9 大行星，暂时取名为 P9（因为它还没被观测到，所以没有正式的名字）。从质量上来分析，它的地位与地球是一样的，都属于行星级别。从目前的观测来说，P9 质量大约是5~15 个地球质量，它距离太阳有 300~1000 个地日距离。据此推测，其绕太阳公转周期大约为 3 万年。
在地球上的光学引力透镜实验（OGLE）也在这一区域观测到了一系列引力异常现象。有至少 6 个微引力透镜事件都指出，在这一区域存在引力异常。引力透镜实验表明，这一区域可能存在一个自由漂浮行星或者太阳系的第九大行星，而且其质量范围也落在5~15 个地球质量之间。因此，第九大行星的猜想看起来不是一个巧合，而是一个事实。
自由漂浮行星与原初黑洞
那么，P9 是怎么形成的呢？
一种可能性是，P9 就是在当地形成的。但天文学家计算了当地形成的概率认为，在那么遥远的距离，形成如此大质量的行星，既没有足够的物质，也没有足够的时间，所以当地形成的可能性极低。
另外一种可能是，P9 是路过的星体，被太阳系的引力场俘获了。换句话说，它是一个过客。
这个过客可能是自由漂浮行星，它可能在路过太阳系的时候被太阳的引力场俘获。在最新的论文中，舒尔茨与合作者计算了太阳对这个行星的俘获概率。他们发现，如果原初黑洞在暗物质中的占比是5% 的话，那么这个自由漂浮的行星也可能是一个原初黑洞。
原初黑洞是在宇宙暴胀时期开始形成的，物理学家把宇宙大爆炸之前的宇宙叫做原初宇宙。在原初宇宙中，如果宇宙空间的能量密度有一个特殊的涨落，当局域空间的能量密度聚集到一定程度，就可能形成原初黑洞的种子。随后，随着宇宙的演化，这些黑洞的种子会不断吸积周围的粒子，从而形成原初黑洞。
原初黑洞可以长大，也可以缩小——因为霍金辐射的存在，很多原初黑洞还没长大，就蒸发掉了，而少部分原初黑洞则可能长大为巨型黑洞。
如果原初黑洞长到现在，到底有多大呢？物理学家并不十分清晰的对此并不确定。但香港科技大学物理系助理教授王一解释道：“如果原初黑洞存在，并且没有因为霍金辐射而蒸发殆尽，那么现在它的质量可以非常大，也可以比较小——但这个最小质量有一个下限，大概是 10^12 千克，小于地球质量。”
所以，目前观测到的 P9 的质量范围是合适的，它可以是原初黑洞。如果 P9 的质量是 5 倍地球质量，那么作为原初黑洞，它的半径大概是 45 毫米——差不多与一个网球一样大。
原初黑洞绕太阳公转？
因此，P9 如果是原初黑洞，那么它的质量是合理的，而且因为原初黑洞不会发光，5 倍地球质量的原初黑洞的霍金辐射温度是低于 0.0001 开尔文，所以我们不可能通过霍金辐射来找到这个原初黑洞。这也解释了为什么人类无法直接用光学手段看到 P9，而只能用引力场效应来推测它的存在。
那么，剩下的问题是，从概率的角度来说，在太阳系中能出现原初黑洞吗？
王一告诉《环球科学》：“原初黑洞是暗物质候选者之一，但在暗物质组分中，与地球质量差不多的原初黑洞在暗物质中的比例不会超过 10%。这是有严格的天文观测限制的。”
根据目前的天文观测，原初黑洞在暗物质中的占比大概是 0.5%~10% 之间。
那么，在太阳系内，暗物质总质量是多少呢？
这个数字可以用暗物质的密度与太阳系体积的乘积来计算。我们知道，在太阳系中暗物质的平均密度是：每 3 立方厘米大概有 1 个质子质量的暗物质。按照太阳系半径为 300 个地日距离来估算，太阳系内的暗物质含量大约是 6.21*10^19 千克。
如果 P9 是原初黑洞，以它的质量为 5 倍地球质量来估算，P9 的总质量是3*10^25 千克。这说明它的质量远远超过了太阳系内暗物质的总质量。所以，P9 如果是在太阳系内形成的原初黑洞，这是不太可能的。而如果它是路过太阳系时被太阳系俘获的，至少这在概率上还说得通。
舒尔茨与合作者在文章中认为，如果 P9 是原初黑洞，在它的周围会有一个暗物质的晕，这些暗物质的高密度比别的区域要高很多，所以有可能会相互碰撞而湮灭。湮灭就是正反物质碰到一起，变成能量。在一些湮灭产物的模型中，暗物质可以湮灭成光子。因此，作者认为可以通过观测这些光子来确定这个原初黑洞的踪迹。
因此，要证实第九大行星是原初黑洞，还有很长的路要走。
原始论文：
https://arxiv.org/abs/1909.11090
