哈佛大学科学家：太阳系中曾有两个太阳？
4年前，一些天文学家提出，在外太阳系中可能隐藏着一颗太阳系“第九行星”。但是，第九行星究竟是什么？它为什么会出现在那里？要解释这些问题并不容易。最近，两项研究分别提出了两个疯狂的假说：第九行星可能是一个原初黑洞；或者，它的存在是因为太阳系中曾有第二个太阳。
2006年，在第26届国际天文联合会上，当时的太阳系第九行星冥王星被排除出行星行列，降为矮行星。自此，太阳系中公认的行星只剩下8颗。但在10年后，一些天文学家却重新提出，太阳系中存在第九行星。
他们提出这一猜想的原因是，此前在观测外海王星天体（TNO，即海王星外围绕太阳旋转的天体）时，发现它们的运行轨道与理论计算存在差异。这意味着在外太阳系中，存在着某个引力源，影响了TNO的轨道。进一步的计算指出， 这个天体的质量在5~15倍地球质量之间，因此它可能是一颗尚未被发现的“第九行星”。
但是很快，天文学家发现了一个难以解释的问题：在这个远离太阳系中心的区域，太阳的引力应该不足以吸引足够多的物质，从而形成一颗质量数倍于地球的行星。那么， 第九行星究竟是什么？它为什么会出现在外太阳系？
当常规的理论无法解释现象，一些科学家开始考虑一些看似疯狂的假说。例如，“第九行星”其实可能是一个原初黑洞；又或者，太阳系诞生之初，可能是一个双星系统——换句话说，这个系统中曾有“第二个太阳”。最近，两项研究就分别针对这两个假说，发表了学术论文。
第九行星是原初黑洞？
达勒姆大学的雅各布·舒尔茨（Jakub Scholtz）和伊利诺伊大学的詹姆斯·昂温（James Unwin）是原初黑洞理论的主要推动者。他们发表在《物理评论快报》上的论文指出，假如包含第九行星在内的数个假想天体存在，那么TNO的反常轨道和为期5年的光学引力透镜实验（OGLE）观测到的额外的微引力透镜现象都可以得到解释。而这些假想天体极有可能是数个原初黑洞。
“我们的灵感来自于詹姆斯和妻子劳拉参观芝加哥天文馆时观看的一部关于第九行星的纪录短片，”舒尔茨在接受采访时说，“詹姆斯一下子就被吸引了，他第二天就给我打电话，那之后我们开始想办法弄清海王星外是否还有类行星的天体。我们尝试了各种有趣的假设：玻色星，超致密的暗物质光环，原初黑洞，等等。”
就在他们着手研究第九行星的几个月后，另一支来自东京大学的研究团队重新分析了OGLE实验的数据。他们的初步推算认为， 可能存在的原初黑洞的质量，与此前天文学家预测的第九行星极为接近。 舒尔茨和昂温得知这个消息后，便开始具体考虑第九行星是原初黑洞的可能性。
此前已经有不少科学家尝试用第九行星来解释TNO的反常轨道，其中就包括一支由加州理工学院的迈克尔·布朗（Michael Brown）和康斯坦丁·巴蒂金（Konstantin Batygin）领导的团队。而上文提到的东京大学团队，则率先使用OGLE观测到的微引力透镜现象来说明原初黑洞的存在。
最终，舒尔茨和昂温将两个假说整合在一起。他们指出， 长期以来理论中的第九行星，正是东京大学团队发现的诸多原初黑洞中的一个。 此前的一个理论认为，第九行星是通过所谓的“捕捉自由行星”（即自由行星受到太阳引力，绕太阳旋转，成为第九行星）的过程慢慢形成的，而这也可以变为捕捉黑洞。
“我认为，我们的研究得到了两个重要的结果，”舒尔茨说，“其一，我们成功地启发了其他科学家。他们本来对这种猜想持怀疑态度（科学家面对新事物就该如此），而在我们的影响下，他们提出了更多有趣的想法。例如，爱德华·威滕（Edward Witten）建议我们基于摄星计划，使用小型太空探测器来寻找第九行星；而亚伯拉罕·洛布（Abraham Loeb）等人则指出，这么一大群原初黑洞在它们的运行轨道上有可能碰到别的物体，这将产生闪烁。”
“我们未来的研究将着重检查已有的数据，从中寻找太空中移动光源的证据（也可能什么都没有），”舒尔茨说，“我们目前使用的方法非常值得期待，只要我们一年之内能用费米广域空间望远镜检测到大约10个源光子，我们就能找到移动的光源。”
第二个太阳？
在一项发表于《天体物理学杂志通讯》的研究中，哈佛大学的天文学家亚伯拉罕·洛布与本科生阿米尔·希拉吉（Amir Siraj）提出了另一种解释： 外太阳系中可能曾经有一颗太阳的伴星，并且在这一区域或许还隐藏了很多未被发现的矮行星。
这个理论听上去十分激进，但在一些天文学家看来其实并不意外。论文作者希拉吉表示：“绝大多数类日恒星在形成之初都是双星系统中的一员。”
恒星最初诞生于太空中由气体和尘埃组成的星团中，按照这个理论，太阳在星团阶段曾由一颗质量相近的伴星，随后，“一颗路过的恒星通过其引力作用，将‘第二个太阳’移走了。”洛布表示。太阳系曾经的第二颗恒星现在在哪呢？很遗憾，我们已经无法进行追踪了，它可能位于银河系的任何位置。
不过我们可以推测的是，如果这颗恒星的确曾经处于外太阳系的某个位置，那么第九行星的存在就能得到解释，并且这也意味着隐藏在外太阳系中的行星很可能不止一颗。
除了解释第九行星，支持“第二个太阳”理论的另一个依据在于 奥尔特云 。
奥尔特云是一个由理论预言的云团结构，它由冰质星子组成，包围着太阳系。科学家认为，其物质组成是形成太阳系的残余物质。同样， 要解释奥尔特云为什么会出现在太阳引力相对薄弱的地方，双星系统是一个可行的理论。
“双星系统捕获周围物质的效率比单独的恒星更高，”洛布说，“如果奥尔特云的观测结果如此前的预期，这可能意味着太阳在离开诞生的星团之前，曾有一个质量相近的伴星。”
这一点十分重要，因为奥尔特云中的天体，例如彗星，可能为地球带来了水。“奥尔特云外层的天体在地球演化过程中可能扮演着重要角色，它们可能为地球带来了水，也可能直接导致恐龙的灭绝。”希拉吉说。
如何验证这个理论？线索可能就在薇拉·C·鲁宾天文台的 大型综合巡天计划（LSST） 中。薇拉·C·鲁宾天文台位于智利智利帕琼山的山顶，这里稀薄的空气为天文观测提供了良好的条件。LSST计划将于明年开始正式观测，并将在此后10年内为南天的每一片区拍摄深度多彩照片，每张照片覆盖的面积相当于月球表面积的40倍。如果有矮行星藏身于外太阳系，LSST将有能力观测到它们，甚至是第九行星自身。
因此研究人员相信，很快，LSST的观测结果将证实或证伪关于第九行星的假说。
编译：张和持 吴非
参考链接：
https://phys.org/news/2020-08-planet-primordial-black-hole.html
https://www.forbes.com/sites/jamiecartereurope/2020/08/18/was-our-sun-a-twin-if-so-then-planet-9-could-be-one-of-many-hidden-planets-in-our-solar-system/#1a2733cf585a
对天文学比较感兴趣的人都知道，在浩瀚的宇宙中，大多数恒星系统都被证实至少由两颗以上的恒星构成，但我们所生活的太阳系就非常特殊，太阳系只有一颗恒星，那就是太阳。 科学家其实一直在寻找，太阳系是否存在过第二个太阳。 20世纪80年代中期，美国物理学家穆勒就太阳系的问题提出了自己的猜想：太阳可能存在一颗伴星。 这颗伴星可能是一颗距离太阳非常遥远的红矮星，它以椭圆形轨道绕着太阳进行公转，每近3000万年左右就会进入太阳系的边界（奥尔特云），并搅动许多彗星进入内太阳系，从而对地球上的生物造成周期性的物种大灭绝。 虽然这颗伴星还未被人类发现过，但科学家却为其起了一个名字：涅墨西斯星，尽管如此，太阳系的边界奥尔特云却为寻找太阳伴星提供了不少线索。 奥尔特云由冰微行星组成，这些冰微行星在太阳引力的作用下，形成了包围住太阳系的球体云团，它也被称为太阳系的边界。从奥尔特云到太阳的距离，大约是地球到太阳距离的11万倍。 科学家通过研究发现，如果太阳系迄今为止只存在过一颗恒星的话，那么构成奥尔特云的物质理论密度应小于如今测量到的实际密度，这种偏差不得不让人相信，太阳系其实存在过两颗恒星，即两个太阳。 科学家认为，假如能够发现奥尔特云被太阳系两个太阳吸引过来的线索，那么太阳系的形成理论将被全部推翻，而且也解决了地球生命周期性灭绝的疑问。有科学家推测，来自奥尔特云的彗星为地球带来了生命的基础：水。 但彗星的到来也导致了诸如恐龙大灭绝等事件，涅墨西斯星为何又凭空消失了？它又去了哪里？ 科学家们一直在试图寻找它，它很有可能被一颗掠过太阳系的恒星带走了，同时带走的还有奥尔特云的大部分物质，这颗伴星已经来到了人类从未观察到的银河系的某个区域。 十六年前，国际天文联合会组织正式将冥王星驱逐出行星之列，从此以后冥王星被确定为矮行星，八大行星中的概念得以最终形成。但天文学家仍然在太阳系中寻找第九号行星。 通过理论分析和电脑模拟，九号行星确实存在，且每次研究的结果都颇为接近，和其他气态星球不同的是，九号行星的质量非常大，体积是地球的四倍，质量是地球的十多倍，它围绕太阳进行公转，每转一圈需要大约2万年左右。 科学家们猜测，九号行星可能是在地球刚诞生时，被太阳所捕获的一颗系外行星，当星系中含有多颗恒星时，恒星之间的位置并不是相对静止的。 几颗恒星也经常会相互掠过，“狭路相逢”时，太阳可能拉拽了其他恒星系统的多颗行星，到这逐渐脱离了星团，并逐渐形成了我们所在的太阳系，这和穆勒的伴星理论不谋而合，太阳曾在伴星的帮助下捕获了第九号行星。 在近几年的天文观测活动中，科学家在遥远的外星系中观察到了在海王星轨道以外运行，且离太阳距离相同的星体，它们被称为跨海王星天体。 这些奇特的天体非常遥远，科学家分析，影响跨海王星天体以特殊轨道运行的并不是海王星，而是人们一直在寻找的第九号行星。九号行星远在冥王星轨道之外，其到太阳的距离可能是地球到太阳的近千倍。 还有部分科学家认为9号行星很可能只是一个原始黑洞，但并没有直接证据证实原始黑洞真实存在，科学家们假设的依据来自光学引力透镜实验发现的引力异常。 2022年，威拉鲁宾天文台将正式启动，最主要任务之一就是寻找冥王星以外的外太阳系天体，也许有一天，我们真的能发现第二个太阳和九号行星。
在我们的太阳系中，只有太阳这一颗会发光发热的恒星，地球、金星、火星、木星等都是行星，所以太阳系是个单一恒星的行星系统。但是天文学家们发现在银河系等星系中，像太阳系这样的单一恒星系统并不是特别多，大多数行星系统都是有多颗恒星的。 比如距离太阳系最近的恒星比邻星就有三颗恒星（南门二三星系统），这个三星系统常被称为“三体”，我们所熟知的北极星（勾陈一）也是一个三星系统，而夜空中最为明亮的恒星天狼星则是一个双星系统，著名的猎户座中的参宿七也是一个三星系统，北斗七星中的天枢星（斗沿位置）是一个双星系统，总之太阳系之外的恒星有很多双星或三星系统，还有一些四星、五星甚至更多，像太阳系这样的单一恒星系统并不多见，那么我们的太阳系为什么是单恒星系统呢？ 对于太阳和太阳系的形成，科学家们向来认为是从一开始这里就形成了太阳这一颗恒星，它集中了这一片区域中的绝大部分物质，其周围的能以公转状态与太阳保持距离的物质形成了行星和矮行星，它们不断地融合演变成了今天的状态。 不过近日国外媒体报道称美国哈佛大学的科学家发表在《天体物理学》杂志上的一项新理论认为：太阳以前可能有过一个质量相似的双星伴星，也就是说早期的太阳系很可能是个双星系统。 哈佛大学的研究团队是通过奥尔特云的存在推断出这一推论的，奥尔特云是太阳系外围的以彗星和小行星为主的星体碎片，最远距离太阳可达一光年之遥，他们分散在太阳系的外围空间，就像太阳系的外壳，其总质量大约相当于100个地球。 奥尔特云的存在有着多种解释，但是太阳的早期伴星的存在尤为恰当，因为奥尔特云中的小星体都距离太阳非常远，只有足够大质量天体的抛散力量才能将它们甩向太阳系外围，虽然木星和土星这样的大质量行星也能够做到，但是它们能抛洒出去的物质质量还是很少的，而且大多数都不能甩出太远，因此天文学家们认为很可能是因为太阳系早期就有一颗恒星级的大质量伴星，它不但能将其附近位置的小天体甩向太阳系边缘，也可以将太阳系附近星系的一些小天体吸引过来，并且在它的引力下甩到太阳系边缘。 那么这个太阳系的伴星当时处于什么位置呢？其实它并不在太阳系的核心位置，甚至可以说距离太阳也很远，至少要比海王星距离太阳还要远一些，它曾经存在的主要作用就是塑造了海王星轨道以外的外太阳系，并且天文学家们认为它的存在也可以解释柯伊伯带中一些矮行星的运行情况，目前天文学家们正在追寻的第九大行星，很可能也与太阳的这颗伴星有关。 那么太阳的这个“双胞胎兄弟”如今又去了哪里呢？这才是真正难以解释的问题，天文学家们推论认为这颗伴星与太阳共舞的时刻只存在于太阳系的形成早期，当时其他行星也都还没有形成，这颗伴星由于受到某个大质量星体向外推进或者加速的撞击，得以克服太阳对它的牵引力，开始向着太阳系外围前进，最终离开了太阳系范围，如今的它很可能隐藏着银河系的某个地方。
参考资料：
《前瞻网》8月20日文章《太阳曾经或有一个“孪生兄弟”：质量相似，至今仍潜伏在银河系某处》
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