太陽系第九顆行星可能是一顆黑洞?

post-image

九號行星是什麼?

自1990 年代以來,天文學家在海王星的外圍區域已經發現上千顆的小行星,統稱為外海王星天體或外海天體(Trans-Neptune Object)。2015 年,美國加州理工學院(Caltech)的天文學家發現其中幾個小行星的運行軌道有些不規則的現象。這群特別的小行星軌道似乎受到一股來自外圍重力拉扯所造成,猶如在外海星體的外面還有一顆行星等級 的星體。因此,他們推論太陽系的外圍應該有一顆還未被發現的行星:九號行星(Planet 9)。

依據他們的數學模型,九號行星的軌道遠在海王星(Neptune)之外,在太陽系最遙遠冰冷的角落。它的質量大約是地球的十倍,公轉週期介於 1~2 萬地球年,但是到今(2020)年為止,還沒有直接的觀測證據顯示九號行星的存在。

現實雖然如此,卻不阻礙理論學家的想像。就在去年,兩位分別來自英國和美國的理論天文學家,針對九號行星的謎題加碼提出一個奇特的設想,他們認為九號行星可能是一顆非常奇特的黑洞,叫做太初黑洞(primodial black hole),他們甚至提出如何偵測這種星體的方法。當然,此假設的前提是九號行星必須真的存在。

太陽系內有黑洞?

黑洞就在我們的太陽系,此說法可能會讓一般人覺得是科幻小說的情節。雖然乍聽十分誇張和聳動,但是事實上卻不盡然是天馬行空的幻想。

人們對黑洞的了解是建立在愛因斯坦的廣義相對論。黑洞是經由重力塌縮(gravitational collapse)後形成的星體,它具有質量、自轉和事件視界(event horizon)。根據理論,任何發生在事件視界裡面的資訊都無法傳遞到外面,所以對外界的觀察者而言,黑洞的物理性質來自於事件視界之外的空間,因此事件視界代表黑洞的視覺大小。

根據目前的星球演化理論,質量為太陽大約十倍以上的恆星在生命演化末期會形成恆星黑洞(stellar black hole)。從星系的年齡估算,銀河系中大約存在著一億顆恆星黑洞。從觀測證據顯示,靠近地球 3000 光年的地方就有一顆恆星黑洞存在。

黑洞跟其它的星體一樣會移動,也會與其它星體相互吸引形成多星系統。而恆星等級的黑洞有可能跟太陽形成雙星系統;至於行星等級的黑洞,如果剛好被太陽捕捉,它也有可能成為太陽系的一部份。

多大的黑洞才可能成為太陽系的一份子?

去年,事件視界望遠鏡團隊公布人類史上第一張黑洞影像的證據,臺灣的科學家在拍攝這張歷史影像的過程中有著卓越的貢獻。這張影像來自編號 M87星系中心的黑洞,黑洞質量估計是 50 億個太陽質量,它的事件視界約等於太陽系的大小。如果太陽系就位在此黑洞旁邊,對渺小的地球人來說將是一件非常不幸的事,地球不但會有隨時被它吞噬的危機,還必須擔心隨時從它的周遭發出來的強烈輻射能量。顯然此類型的超大質量黑洞也不可能成為太陽的行星。 目前科學家有明顯的證據顯示,超大質量黑洞並不是經由恆星黑洞的合併所形成,主要的證據在於許多超大質量黑洞在宇宙年齡 10 億年的時候即已成形。光靠著恆星黑洞的合併,在十億年的過程中並無法累積到如此巨大的質量,因此超大質量黑洞的成因目前還是個謎題。

M87 black hole image from the Event Horizon Telescope collaboration

而九號行星如果是一顆黑洞的話,這種黑洞必須是行星等級的質量。換句話說,它的質量會比恆星黑洞小上許多。此黑洞的成因與超大質量黑洞一樣,無法用星球演化的理論來解釋。同時,也沒有任何觀測證據顯示此類型的黑洞存在。為什麼有理論學家會提出九號行星可能是太初黑洞的假設呢?

什麼是太初黑洞?

太初黑洞是一種理論上的星體,1970 年代由兩位物理學家卡爾(Bernard Carr) 和霍金(Stephen Hawking)所提出。太初黑洞指的是宇宙剛形成時候產生的黑洞。宇宙現在的年齡大約是137 億年,太初黑洞形成的時間大概是宇宙年齡一秒左右,因此這些黑洞被冠上「太初」的頭銜。這些黑洞猶如起士裡面的泡泡,形成之後會繼續演化,比較小黑洞會經由霍金輻射(Hawking radiation)的效應蒸發消失;有的可能會合併,長成更大的黑洞;有些則會聚集在一起而形成黑洞星團。太初黑洞的質量範圍很大,有行星等級的黑洞,甚至到數百、千個太陽質量的黑洞,有些更大的黑洞變成後來星系形成的核心,成為現在天文學家觀測到的超巨大質量黑洞。

能夠演化成黑洞的恆星必須是比較重的星體,所以產生出來的恆星黑洞的質量也不會太低。目前經過觀測證實的最輕黑洞大約是 3 ~4 個太陽質量,而理論上太初黑洞的質量就沒有這樣的限制,所以,如果九號行星是個黑洞的話,那這將會是太初黑洞存在的強烈的證據。

滄海一栗的黑洞是否存在? 目前仍難以證實

一顆跟地球相同質量的太初黑洞大約是高爾夫球的大小,就算是木星質量的黑洞也比一顆籃球大不了多少。因此,這麼小的星體跟整個太陽系的尺度比較,大概相當於人類與原子核大小的比例。如果放在銀河系的尺度比較,更是比夸克更微不足道。假若太初黑洞的數目比想像的還多,充斥在各個星系之中,它們的存在恐怕將難以偵測,對此它們會不會就是科學家一直偵測不到的暗物質呢?目前仍尚無定論。

九號行星是一個理論假設,是用來解釋一群特殊的外海天體運行軌道的異常現象。基於此假設,九號行星可能是一顆太初黑洞的可能性難以驗證。在還沒有進一步發現關於九號行星的的蛛絲馬跡之前,太陽系存在一個黑洞的說法可能只是理論學家刷取存在感的把戲吧。

延伸閱讀:

Jakub Scholtz and James Unwin, “What if Planet 9 is a Primordial Black Hole,” Sep 24, 2019, arXiv:1909.11090 [hep-ph].

Konstantin Batygin and Michael E. Brown, “Evidence for a distant giant planet in the solar system,” 2016, 151, 22. doi:10.3847/0004-6256/151/2/22

“Did Astronomers Just Discover Black Holes from the Big Bang?” Scientific American, by Nola Taylor Redd on January 13, 2020.

關於作者:

中央研究院天文所研究員,台灣黑洞團隊發起人之一。2019年,因為事件視界望遠鏡成功獲取史上首張黑洞影像,榮獲「基礎物理突破獎」。

封面圖: 九號行星的想像圖,藝術家將該行星描繪成一個遠離太陽的 黑暗球體。(Caltech/R. Hurt (IPAC))

全文刊登於 科學月刊 6月號/2020 第 606 期