陳明堂／中央研究院天文所研究員，臺灣黑洞團隊發起人之一。2019 年事件視界望遠鏡成功獲取首張黑洞影像榮獲基礎物理突破獎。

 

太陽系是否存在第九行星呢？由於觀測的難度非常高，因此第九行星的存在與否始終未有定論。雖然如此，卻依舊澆不熄科學家的探究精神，有學者根據霍金的理論大膽猜想，這顆行星可能是宇宙太初時刻就形成的黑洞。如果假設成立，對目前的宇宙論將會有極大的影響。而行星等級的黑洞不會比一個籃球還大，當它漫遊在太陽系邊緣的角落難以被發現。因此，在尚未確定第九行星存在之前，是否為黑洞的想法仍是紙上談兵。

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，統稱為海王星外天體或外海天體（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，猶如在外海天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：第九行星（Planet 9）。

依據他們的數學模型，第九行星的軌道遠在海王星之外，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 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，卻無法阻礙理論學家的想像。就在 2019 年，兩位分別來自英國和美國的理論天文學家，針對第九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，稱為太初黑洞（primodial black hole），他們甚至提出如何偵測這種星體的方法。當然，此假設的前提是第九行星必須真的存在。

 

▲第九行星的想像圖，藝術家將該行星描繪成一個遠離太陽的黑暗球體。圖片來源／Caltech/R. Hurt (IPAC)，圖片提供／《科學月刊》

 

黑洞其實有好多種，哪種才可能出現在太陽系內？

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，依據質量的不同，黑洞可略分為超大質量黑洞（supermassive black hole）、恆星黑洞（stellar black hole）及行星等級黑洞等。

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，是一顆超大質量黑洞。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，還必須擔心從它周遭發出來的強烈輻射能量。顯然此類型的超大質量黑洞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 10 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。

 

▲太陽系邊緣有 6 顆已知的星體，軌道（紫色）皆在海王星之外，但這些軌道卻都偏向其中一邊。因此有科學家猜測，於這些軌道的另一側可能有一顆未知質量為地球 10 倍的星體（橘色軌道），即第九行星。圖片來源／Caltech/R. Hurt (IPAC)，圖片提供／《科學月刊》

 

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。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 3,000 光年的地方就有一顆恆星黑洞存在。

此外，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。

而第九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。既然如此，為什麼有理論學家會提出第九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， 於 1970 年代由卡爾（Bernard Carr）和霍金（Stephen Hawking）兩位物理學家所提出，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，比較小的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，但理論上形成太初黑洞的質量沒有限制，所以，如果第九行星是個黑洞的話，將很有可能是質量為行星等級的太初黑洞。

 

▲去年由事件視界望遠鏡所發布的首張黑洞照片，圖為距離地球 5000 萬光年之外的 M87 星系核心的超大質量黑洞。圖片來源／EHT Collaboration，圖片提供／《科學月刊》

 

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。

第九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，第九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第九行星的蛛絲馬跡之前，太陽系存在一個黑洞的說法可能只是理論學家刷存在感的把戲吧。

 

延伸閱讀

1. Jakub Scholtz and James Unwin, What if Planet 9 is a Primordial Black Hole, arXiv, 2019.

2. Konstantin Batygin and Michael E. Brown, Evidence for a distant giant planet in the solar system, The Astronomical Journal, 2016.

3. Nola Taylor Redd, Did Astronomers Just Discover Black Holes from the Big Bang?, Scientific American, 2020.

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2020 年 6 月