太阳系的第九行星,竟可能是一个黑洞?

   日期:2019-11-12 20:51:39     浏览:1307    

冥王星被排除在九颗行星的名单之外后,天文学家们就太阳系中是否有第九颗行星进行了热烈的讨论,如果有,这颗行星在什么位置。英国达勒姆大学的物理学家雅各布·舒尔茨(jakub scholtz)和美国伊利诺伊大学的詹姆斯·昂温(james unwin)最近在预印网站上发表的一项研究中提出了一个大胆的想法:太阳系中的第九颗行星可能是一个原始黑洞。

第九行星之谜

2006年,在第26届国际天文学联合会上,曾经是第九颗行星的冥王星被排除在行星名单之外。这是因为天文学家在2005年发现波塞冬行星(小行星编号136199厄里斯)的质量比冥王星高27%。这意味着如果冥王星是第九颗行星,那么波塞冬应该是第十颗行星,所以海王星之外有许多这样的小天体可以被称为行星。结果,行星太多了,它们似乎不容易管理。

面对这样的现实,国际天文学联盟(iau)正式更新了行星的定义,将冥王星排除在行星团队之外,并将其划分为矮行星(也称为幽灵般的天体)。冥王星成为矮行星后,它得到了一个数字:134340冥王星。

与此同时,天文学家发现了塞德娜,当时太阳系中最远的天体。离太阳最近的是76个天文单位。(地球和太阳之间的距离是1个天文单位。相比之下,冥王星到太阳的距离是40个天文单位)。一个值得注意的现象是塞德娜的轨道平面与其他八颗行星的轨道有很大的夹角。考虑到它离木星和海王星很远,几乎不受木星和海王星引力的影响,它的大轨道倾角是如何发生的?

后来,天文学家发现大量类似Sedna的小行星有非常大的轨道倾角(与地球公转轨道平面几乎成50度)。因此天文学家推测海王星外的柯伊伯带中应该有一个相对较大的质量物体,将塞德纳这样的小行星拖向高轨道角的位置。

行星10的假想轨道。(照片来源:heathroper/lpl)

然而,这个巨大的天体是什么?天文学界对此还没有达成共识,但每个人都怀疑这个巨大的天体是太阳系第九大行星,暂时命名为p9(因为没有观测到,没有官方名称)。从质量的角度来看,它的位置与地球相同,都属于行星级别。从目前的观测来看,p9质量约为地球质量的5~15倍,距太阳300~1000天。据此,估计它围绕太阳的公转周期约为3万年。

地球上的光学重力透镜实验(ogle)也在这个地区观察到了一系列重力异常。至少有六次重力微探测事件都指出该地区存在重力异常。引力透镜实验表明,在这个地区可能有一颗自由浮动的行星或太阳系第九大行星,其质量范围也在5到15个地球质量之间。因此,第九颗行星的猜想似乎不是巧合,而是事实。

自由漂浮的行星和原始黑洞

p9是怎么产生的?

一种可能性是p9是局部形成的。然而,天文学家已经计算了局部形成的概率,并认为在如此遥远的距离上,既没有足够的物质也没有足够的时间来形成如此巨大的行星,因此局部形成的可能性极低。

另一种可能性是p9是被太阳系引力场捕获的一颗经过的恒星。换句话说,它是一个路人。

这个过客可能是一颗自由浮动的行星,当穿过太阳系时,它可能会被太阳的引力场捕获。在最新的论文中,舒尔茨和他的合作者计算了太阳俘获地球的概率。他们发现,如果初级黑洞占暗物质的5%,那么自由浮动的行星也可能是初级黑洞。

最初的黑洞是在宇宙膨胀时期开始形成的。物理学家称大爆炸前的宇宙为初级宇宙。在原始宇宙中,如果宇宙空间的能量密度有特殊的波动,并且权威领域空间的能量密度聚集到一定程度,那么原始黑洞的种子就可能形成。然后,随着宇宙的进化,这些黑洞的种子将不断积累周围的粒子,从而形成原始黑洞。

初级黑洞可以长大或缩小——由于霍金辐射,许多初级黑洞在长大前蒸发,而少数初级黑洞可能长大成为巨大的黑洞。

如果最初的黑洞发展到现在,它有多大?物理学家对此并不十分清楚,也不确定。然而,香港科技大学物理学助理教授王毅解释道:“如果最初的黑洞存在,并且没有因为霍金辐射而蒸发,那么它的质量现在可以非常大或者相对较小——但是这个最小质量有一个下限,大约是10-12千克,小于地球的质量。”

因此,目前观测到的p9质量范围是合适的,它可能是一个原始黑洞。如果p9是地球质量的五倍,那么作为主黑洞,它的半径大约是45毫米——几乎和网球一样大。

最初的黑洞围绕太阳旋转?

因此,如果p9是一个原始黑洞,它的质量是合理的,而且因为原始黑洞不发光,所以质量是地球质量5倍的原始黑洞的霍金辐射温度低于0.0001开尔文(Kelvin),所以我们无法通过霍金辐射找到原始黑洞。这也解释了为什么人类不能通过光学手段直接看到p9,而只能通过引力场效应推测它的存在。

所以,剩下的问题是,从概率的角度来看,太阳系中会出现初级黑洞吗?

王毅告诉《全球科学》:“初级黑洞是暗物质候选者之一,但在暗物质组成中,与地球质量相同的初级黑洞在暗物质中的比例不会超过10%。这受到天文观测的严格限制。”

根据目前的天文观测,暗物质中初级黑洞的比例约为0.5%~10%。

那么,太阳系中暗物质的总质量是多少?

这个数字可以通过暗物质的密度乘以太阳系的体积来计算。我们知道太阳系中暗物质的平均密度约为每3立方厘米1个质子质量的暗物质。根据太阳系半径300天的距离,太阳系中暗物质的含量估计约为6.21 * 10±19千克。

如果p9是一个原始黑洞,p9的总质量是3 * 10 25公斤,估计它的质量是地球质量的5倍。这表明它的质量远远超过太阳系中暗物质的总质量。因此,p9不太可能是太阳系中形成的原始黑洞。然而,如果它在穿过时被太阳系捕获,至少在概率上是有意义的。

舒尔茨和他的合作者认为,如果p9是一个原始黑洞,它周围会有一个暗物质晕。这些暗物质的密度比其他区域高得多,所以它们可能会相互碰撞并湮灭。湮灭是正负物质相遇并成为能量的时候。在一些湮灭产物模型中,暗物质可以被湮灭成光子。因此,作者认为通过观察这些光子可以确定原始黑洞的轨迹。

因此,要证明第九颗行星是原始黑洞还有很长的路要走。

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