刘声远

在比太阳系巨行星所在位置更远的太阳系外围（外太阳系），有一片极其巨大的“荒野”。大多数天文学家相信，那里有众多与冥王星相似的含冰小天体——矮行星，而且多个科学团队一直在致力于寻找它们。在此过程中，一些科学家开始相信那里还有一颗更大、质量是地球多倍的隐藏天体——第九号行星。

这些科学家指出，之所以推测第九号行星是存在的，是因为它的引力能解释一些含冰小天体的排列方式：这些小天体之所以这样排列，很可能是由于受这颗行星的引力控制。但问题是，没有人敢想象：如果真有一颗这么大的行星，它又怎么可能在如此远离太阳的地方形成？英国天文学家索尔兹说，科学家目前只知道太阳系外围应该有大天体存在，但现有的观测未能揭示它的身份。如果它不是一颗行星，那么它是什么？索尔兹推测：它有可能是一个形成于宇宙大爆炸时期的原始黑洞。

九号行星的假想运行轨道（橙色），紫色为受其引力影响的小行星轨道

如果索尔兹的推测正确，那就会是一个极其惊人的大发现。原始黑洞将让我们更好地了解宇宙初期。让星系能够成形而不至于散架的物质是神秘的暗物质，而原始黑洞有可能由暗物质组成。果真如此吗？对这类问题的极大好奇，驱使宇宙学家一直在寻找原始黑洞。但无人敢设想在太阳系的“后院”——太阳系外围存在原始黑洞。

九號行星可能是一个原始黑洞

两类黑洞

现在的问题是：怎样确定潜伏在外太阳系的神秘引力源究竟是什么？

黑洞是非常扭曲的时空区域，它们的引力让任何物质都无法抗拒：包括光线在内，无论什么物质都无法逃避黑洞的引力。黑洞的存在，是基于爱因斯坦在1915年提出的广义相对论。在刚好100年后的2015年，激光干涉仪引力波天文台（简称LIGO）观测到由两个黑洞相撞、合并而产生的微弱的时空涟漪（引力波），才首次证实黑洞的存在。

黑洞的存在可以从理论上和从它们对附近物质的影响而推测出，并可以分为两类。其中最大的黑洞，是发现于宇宙中每个星系（包括银河系）中央的超大质量黑洞。这类黑洞由其他黑洞合并而成，其质量是太阳的数百万乃至数十亿倍。

激光干涉仪天文台（LIGO）

LIGO——巨大的干涉仪

第二类黑洞是恒星黑洞，它们形成于大质量恒星在生命终点的巨大爆发。与地球距离最近的恒星黑洞，位于大约1000光年外。恒星黑洞的质量一般为太阳的5～15倍，大多数天文学家认为LIGO能发现的正是恒星黑洞。但LIGO在2015年的发现，表明那两个相撞的黑洞的质量分别为太阳的大约35倍和30倍。

后续探测所发现的信号表明的黑洞质量更让人匪夷所思。例如，GW90814信号表明两个相撞黑洞中一个的质量为太阳的大约23倍，而另一个只有2.6倍。GW190521信号表明两个相撞黑洞中一个的质量为太阳的大约85倍，另一个约为66倍。这类观测结果用天体物理学传统模型难以解释，而用原始黑洞却能很好解释。为什么这么说？

黑洞合并（示意图）

GW190521 信号解读图

可大可小

回到上段末的问题。答案是原始黑洞的质量被认为可大可小，甚至可小到只有行星或小行星的质量。理论上说，原始黑洞形成于宇宙初期。那时的宇宙是一个由物质和能量组成、被挤压得非常厉害的移动的大漩涡，任何扰动都会导致一个特定区域的密度失衡，最终导致该区域变成黑洞。其中每个黑洞的大小取决于该黑洞诞生时的环境状况。因此，宇宙中应该存在各种大小的大量原始黑洞。

然而，这仍然无法支持第九号行星是一个原始黑洞的说法，因为它的质量根本比不上LIGO所揭示的原始黑洞的质量。目前的传统理论认为，位于冥王星轨道外的神秘引力源是一颗质量为地球的5～15倍的行星。2014年，两名美国科学家首次提出了这个估计值。

但是，随着索尔兹及其同事昂文对这种第九号行星假说思考得越多，他们越倾向于猜测所谓的第九号行星应该是一个原始黑洞。多年前，昂文在美国的一次会议上听到了第九号行星这个说法，兴奋得立即给索尔兹打电话：“它真可能是一颗行星，但如果不是，又会是什么？”

他和索尔兹之所以怀疑那不会是一颗行星，是因为在离太阳那么远的地方根本不可能形成一颗大行星。太阳系行星是从环绕太阳的物质盘中聚合出来的。离太阳越远，物质密度越低。在第九号行星所在的距离，根本不可能有那么多原始物质来构筑这么大的一颗行星。

有科学家提出，第九号行星原本形成于太阳附近，但后来被木星或土星的引力拖到了太阳系外围。然而，除非有多次引力交互，否则不可能让质量比地球还大得多的第九号行星去到那么远的地方而不回来。正因为如此，索尔兹和昂文相信第九号行星应该是一个原始黑洞。一项探测更遥远之地的实验，让他们更坚定了自己的看法。

引力微透镜原理示意图

实验启示

在智利一家天文台运作的光学引力透镜实验（简称OGLE），致力于观测由引力微透镜作用引起的银河系中心恒星亮度的陡然增加。所谓引力微透镜作用是指：由背景光源发出的光线被偶然经过背景光源前方的干扰天体扭曲。干扰天体因为太小或太暗，本来不可见，但因为干扰天体的轨道让该天体恰好暂时位于地球和一颗星系中心恒星之间，所以干扰天体暂时被照亮而现身，而且干扰天体的引力让恒星光聚焦，从而让恒星看上去更亮。亮度增加的时间越短，说明干扰天体的质量越小。

2010—2015年，OGLE观测到的微透镜事件达2600起，其中6起超短，即持续时间不到半天。有科学家推测，造成超短微透镜事件的是自由绕行于星际空间、不受恒星系统束缚的行星。但在2019年的一篇论文中，有科学家提出这些微透镜事件很容易由质量仅为地球几倍的原始黑洞产生。

黑洞的存在，势必会对周围行星产生影响

见到这篇论文后，索尔兹注意到了一个奇怪之处：外太阳系小天体的排列表明，那里有一个大天体的质量与造成这些微透镜事件的天体质量（推算值）相当。这当然可能只是一个巧合，但在索尔兹和昂文看来，这种“巧合”暗指宇宙中存在此前科学界未知的大量天体，如果其中一部分不是行星，那么至少有一部分可能是原始黑洞。

毫无疑问，一旦在宇宙中发现一个原始黑洞，其意义之巨大不言而喻。如果宇宙中仍然分布着原始黑洞，这些古老天体就可能有助于科学家一锤定音地一次性破解有关宇宙的诸多难题。

黑暗之秘

科学家将暗物质比作把星系“粘”在一起的“胶水”，而且这种“胶水”加速了星系的形成。过去50年中，科学家已经确信暗物质由尚未发现的粒子组成。暗物质是我们尚未认知、产生引力但不与光线交互的奇异物质。问题在于，虽然多年来科学家进行了许多次实验，花费巨大，但没有探测到哪怕一个暗物质粒子。

近年来，科学家对暗物质是否可能由原始黑洞组成争执不休。根据LIGO观测到的黑洞合并频率，一些科学家估算了古老黑洞的数量，结果是黑洞占据宇宙质量的比例相当大。如果的确如此，那么原始黑洞就真有可能是暗物质。

形成于宇宙最初期的黑洞，可能包藏着宇宙大爆炸后不到万分之一秒时的情况。这个时期很重要——自然的力量正在塑造自己的终极形态：物质、反物质和暗物质正在以各自相应的比例聚合;空间自身正经历极快膨胀，直到膨胀到很大很大。

然而，要想调查这一时期难上加难。光学和射电望远镜根本不可能观测到如此遥远的过去。在望到大爆炸后30万年光线所及的地方时，物质密度剧增，因此遮挡望远镜的视野。对该时期引力波信号的捕捉尝试一再失败，这是因为受银河系中尘埃效应的影响。

作为来自宇宙诞生时期的遗产，原始黑洞有可能改变这种困局。如果能找到原始黑洞，科学家就能立即回到从前，去探索以前毫无办法探索的事件。这些事件发生于不同时期，因此与不同质量的原始黑洞有关。不仅如此，每一次事件都会影响当时原始黑洞的形成数量。通过比较不同质量的黑洞数量，就可能知道当时发生的事件。例如，第九号行星的质量意味着，如果它的确是一个原始黑洞，那么它就很可能产生于电磁力与弱核力分离的电弱相变时期。

但要想透过原始黑洞这扇窗户去窥探宇宙历史，还为时太早。首先，我们必须证明太阳系中真的有原始黑洞。而要想证明这一点，我们必须展开与寻找行星截然不同的全新搜索。光学望远镜永远看不见黑洞。X射线望远镜有机会看见，这是因为任何坠入黑洞的物质都会被加热并发出X射线。问题是这种发射转瞬即逝，望远镜必须在精确的时间精确地对准发射方向才可能探测到。还有一种可能会导致稳定的X射线信号发射，前提是暗物质的确由一接触就会互相湮灭的奇异粒子组成。暗物质会倾向于聚集在黑洞周围，如果暗物质的确由奇异粒子组成，那么作为湮灭的结果，随着黑洞在其轨道中运行，它会发出在天空中飘移、稳定的X射线流或    射线流。

未来任务

或许，捕捉原始黑洞的最好办法是寻找黑洞大量产生的东西——引力。有科学家提议用小飞船队探测黑洞引力，原理是飞船轨道的偏离有可能由潜伏的大天体（不管是行星还是黑洞）造成。小飞船队可能提示望远镜精确对准哪个方向。如果望远镜看见光斑，它就是行星。如果什么也没看见，那就可能是黑洞。

在最近一篇论文里，这些科学家认为采用人造微型卫星和太阳帆就可能执行黑洞探测任务。太阳帆无需推进剂：阳光对太阳帆的压力就能推动太阳帆飞船。飞船首先飞向太阳，获得强大的推力，在一年内就能让飞船进入海王星轨道，这比采用化学推进快10倍。

目前，这样的任务纯属纸上谈兵。事实上，一些科学家根本不相信第九号行星之类的天体存在。2021年初，有科学家发表论文说，认为太阳系外围小型矮行星的排列由第九号行星造成的观点属于统计数据精确度不高所致，更精确的数据将驳倒这个观点。

太阳帆（想象图）

眼下的需要是回到出发点：绘制外太阳系含冰小天体分布图，以查明是否存在潜伏的大天体。这项任务可能将变得不那么难——位于智利的维拉鲁宾天文台将在2021年底之前投入运作，预计它将发现数万颗外太阳系小天体。这些天体的轨道将证明外太阳系是否真的还有尚待发现的大天体。如果真有，天文學家甚至将能确定它的方位，那么望远镜将对它进行深入探测。如果届时发现的是一颗行星，当然意义非凡。但如果什么也没发现，而异常的引力扰动依然存在，那么就到了发射太阳帆飞船之时。