假想中的第九大行星或是一個原始黑洞,引力效應的來源

Emma Chou

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多年來,天文學家和宇宙學家已經從理論上證明,在太陽系的最外層存在一顆質量比地球大10倍的行星。這顆假想的行星,被命名為第九大行星,可能是引力效應的來源,而引力效應將解釋現有宇宙學數據所強調的外海王星天體(TNOs)軌道的不尋常模式。TNOs是圍繞太陽運行的天體,位于海王星之外。

在過去幾年的研究基礎上,杜倫大學和伊利諾斯大學芝加哥分校的兩名研究人員雅各布·肖爾茨(Jakub Scholtz)和詹姆斯·安文(James Unwin)最近進行了一項調查,探索第九大行星是一個原始黑洞的可能性。他們的論文發表在《物理評論快報》上,推測TNOs的異常軌道和在5年光學引力透鏡實驗(OGLE)數據集中觀測到的過多微透鏡事件,可以同時解釋特定天體群體的存在(其中一個是第九大行星)。更具體地說,它介紹了第九大行星,剩下的這些天體可能是原始黑洞(PBHs)。 

“我們的工作開始于詹姆斯和他的妻子勞拉去芝加哥天文館,看到了一個關于第九大行星的短紀錄片。”開展這項研究的研究人員之一肖爾茨表示,“這引起了詹姆斯的注意,第二天就給我打來電話,我們開始想搞清楚那里是否有其它類似行星的物體。我們提出了許多有趣的設想:玻色恒星、超致密暗物質暈、原始黑洞——以及其它幾種可能。”

東京大學的另一個研究小組在開始探索關于第九大行星性質的假設幾個月后,重新分析了OGLE實驗中收集的數據。OGLE是華沙大學進行的一項研究項目,需要使用先進的望遠鏡長時間捕捉天空圖像。  

對OGLE數據集的重新分析初步指出存在大量的PBHs,其質量與天文學家預測的第九大行星的質量相似。當肖爾茨和詹姆斯了解到這些初步的發現時,他們開始特別考慮第九大行星可能實際上是一個原始黑洞的可能性。

“當我們意識到,如果第九大行星是一個黑洞,圍繞著它的暗物質暈將是一種觀察它的方式,因為它釋放出的X射線/伽瑪射線信號時,最后的部分真的結合在一起了。” 肖爾茨說,“在某種意義上,我們研究的目的真的是要傳達這樣一個信息,即原始黑洞繞太陽運行的想法并不像它看起來那么荒謬,或許我們應該給予更多關注。” 

在過去的宇宙學數據中觀察到的TNOs異常軌道可以用另外一顆行星(第九大行星)的存在來解釋的假設,已經被一些研究人員探索過,包括由加利福尼亞理工學院邁克爾·布朗和康斯坦丁·巴蒂金領導的一個團隊。另一方面,東京大學的研究小組重新分析了OGLE的數據集,第一個提出了這樣的觀點:在OGLE數據中觀察到的大量微透鏡現象可能是PBHs存在的證據。  

從本質上說,肖爾茨和詹姆斯的研究將這兩種假設聯系起來,表明這個長期存在于理論中的外行星實際上可能是Nikura和她在東京大學的同事提出的屬于PBHs的黑洞。此外,研究人員還發現,之前關于第九大行星起源的理論假設之一,即“捕獲一顆自由漂浮的行星”,與日本研究小組強調的捕獲PBH的假設一樣有可能。 

“我認為我們的研究有兩個關鍵的重要結果。” 肖爾茨說,“首先,我們設法啟發了其他科學家,他們一開始對這個場景持懷疑態度,由此產生了一些非常有趣的想法。例如,愛德華·威滕(Edward Witten)建議我們通過基于攝星計劃的小型太空探測器來探測第九大行星的存在,勒布等人指出,原始黑洞的數量在其軌道上遇到物質時,會偶爾產生閃光。”

在一篇論文中,愛德華·威滕認為,質量約100克的航天器可以通過編程傳輸定時信號,如果它們中的任何一個進入黑洞的范圍,信號就會被它的引力放大。

這種方法的缺點是,航天器需要以原子鐘的精度對信號進行計時,而目前還沒有小到可以安裝在100克探測器上的原子鐘。另一個研究小組提出了另一種方案,即探測器發送一個簡單的信號,然后用高分辨率的射電望遠鏡測量它們軌道的變化。但又有研究小組提出質疑,太陽風等效應會壓倒任何引力效應。

肖爾茨和詹姆斯最近的論文介紹了一種新的、令人著迷的假設,關于迄今為止被稱為第九大行星的東西的本質。這一假設可以在新的研究中得到進一步探索或驗證。此外,這兩位研究人員已經開始密切關注天空中移動的伽瑪射線和X射線源,盡管有大量可用數據可供研究人員研究,但這一課題迄今為止基本上被忽視了。

“我們未來的研究將主要集中于探索各種現有的數據集,尋找天空中移動光源的證據。” 肖爾茨說,“我們已經確定了一種非常有前途的方法,可以幫助我們看到一個移動的光源,只要我們每年用FERMI大面積望遠鏡(在GeV范圍內)探測到大約10個光源光子。”

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源:

https://phys.org/news/2019-09-planet-primodial-black-hole.html

https://arxiv.org/abs/1909.11090

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