黑洞也能孕育行星 但在上面寻找生命有点难

2020年09月07日来源：科技日报

　　浩瀚宇宙中，黑洞犹如一只吞噬猛兽，没有任何物质能从它的巨大引力“魔爪”中逃脱，就连光也不例外。

　　近日，有研究团队提出，超大质量黑洞周围存在类似围绕恒星运转的行星。这类行星是如何形成的？是否普遍存在？它们又是如何被发现的？这些行星上是否有生命存在？带着这些问题，科技日报记者专访了华中科技大学物理学院副院长吴庆文教授。

　　距离决定黑洞行星能否“降生”

　　在黑洞附近发现行星并非一次偶然之举。

　　人类是宇宙中唯一的生命吗？为回答这个问题，科学家不断搜寻系外行星。2019年诺贝尔物理学奖三位获奖者中，就有两人是因为在系外行星研究方面取得突破性进展而获奖。

　　截至目前，我们已发现4000多个系外行星。

　　“系外行星是当前天文学最热点和最前沿的研究领域之一，科学家主要是在类似太阳这样的恒星周围寻找。”吴庆文说，寻找更多系外行星，有利于理解太阳系形成、地球演化史及生命起源等谜题。

　　近日，日本研究团队表示银河系中心黑洞周围也可能存在大量行星，这一新观点顿时引爆学术界。

　　吴庆文介绍，此前科学家利用阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波望远镜阵列(ALMA)，观测到类似早期太阳系的形成过程。首先是气体和尘埃在自引力作用下坍缩形成恒星；随着时间推移，恒星周围的盘状气体、尘埃等会逐渐聚集形成更大团块，并进一步凝聚，逐渐形成行星。

　　日本天文学家提出，气体和尘埃并非年轻恒星独有，在星系中心黑洞周围也存在着大量气体和尘埃，其质量可以比原恒星盘大数十亿倍，像银河系中心黑洞这样黯淡、寒冷的超大质量黑洞或许也是孕育行星的理想场所。

　　冰的形成以及更多气体和尘埃等的凝结，是形成行星的关键条件。吴庆文说，黑洞周围气体盘中，离黑洞越近气体温度越高，但在一定距离之外，温度足够低，能够让一些水变成冰。经计算，对于银河系中心这种400万倍太阳质量的超大质量黑洞来说，距离黑洞大约10光年，就足以让尘埃和水等气体凝结，并形成几倍到几千倍地球质量的行星，这类行星被称为黑洞行星。

　　生活在黑洞身边，黑洞行星多少有些“担惊受怕”。黑洞拥有强大的引力，在视界范围之内连光都难以逃脱，即便在稍远一点的地方，黑洞周围强大的潮汐力也可能将天体撕碎。这听上去非常恐怖，但随着距离进一步增大，黑洞引力将会迅速减小，在一定距离以外(约几光年)，炙热气体的运动几乎不再受黑洞引力控制。所以，黑洞行星的形成条件已决定它不会被黑洞吞噬。

　　遥远的距离，正是黑洞行星形成壮大的温床。

　　另辟蹊径寻找类地行星

　　吴庆文说，宇宙存在数千亿个星系，每个星系又存在数千亿颗恒星，因此类地行星必然存在，黑洞行星或许也应该普遍存在。因距离遥远，人类对银河系中心超大质量黑洞周围的行星进行直接探测，还存在巨大困难。

　　或许另辟蹊径才能找到正确的答案。

　　此前，日本鹿儿岛大学天体物理学教授惠田敬一认为，现代天体物理学发展显现出一种倾向，即向不习惯的、出乎意料的、甚至仿佛是不可能的方向发展。

　　“人类作为生活在行星上的智慧生物，一直对围绕其他恒星绕转的行星有着浓厚兴趣。”吴庆文介绍，宇宙存在活动星系核、低光度星系核和X射线双星等不同的黑洞系统，根据惠田敬一团队的研究模型，生命周期较短、光度相对较低的活动星系核周围一般会出现黑洞行星。

　　一般而言，对于常见的围绕恒星运转的行星系统，形成恒星后，尘埃和气体会在新生恒星周围原行星盘中冷却，尘埃会凝结聚集成更大的颗粒，在碰撞和压缩中形成小行星，小行星之间相互碰撞形成更大尺寸的行星胚胎，最终经过不同的物理过程形成不同的行星，如类似木星的气体巨行星，或类似地球的岩石行星。

　　与恒星一样，黑洞也有类似的培育行星的“育婴室”。吴庆文说，超大质量黑洞一般位于星系中心，通过吸积物质向星系提供能量。吸积是一种致密中心天体通过引力作用捕获周围介质的高效率过程，被吸积的物质由于带有初始角动量而围绕中心黑洞旋转形成吸积盘。除吸积盘外，黑洞周围还存在着巨大的尘埃环，在吸积盘外区和尘埃环中的物质与原行星盘存在一定相似性，以此为基础考虑黑洞周围是否存在行星，十分合理。

　　惠田敬一团队的模型计算结果显示，最可能形成的黑洞行星质量约是地球的几十到几百倍，甚至有可能达到行星质量上限。在默认两种行星平均内部密度相似的条件下，黑洞行星半径最大可达到地球半径的十倍。

　　“夹缝”中寻找地外生命

　　“生命起源是一个重大的科学命题，黑洞行星上是否有可能存在生命形态值得研究。”吴庆文表示，生命很伟大，但也很脆弱，适宜、安全的环境对孕育生命起到至关重要的作用。

　　吴庆文指出，虽然星系中心超大质量黑洞周围可以形成行星，但这类行星和恒星周围行星有着较大的差异。

　　类似地球这种行星围绕类太阳恒星运转，可以获得阳光滋润，黑洞行星未必具有这个条件。虽然不排除黑洞周围可能形成类似太阳系的恒星和行星系统，然而黑洞行星与黑洞的距离比地球到太阳的距离大很多，对于形单影只的黑洞行星而言，不一定像地球一样拥有阳光。

　　银河系中心黑洞辐射主要是在X射线波段，而太阳辐射主要是在光学波段，意味着黑洞行星无法获得较好的日照。此外，超大质量黑洞周围存在很多高能活动现象，这些高能X射线辐射或紫外辐射会将行星表面的大气电离并吹走。火星表面大气极其稀薄，正是因为其大气几乎都被太阳风剥离。

　　吴庆文说，生命存在需要特定条件，比如适宜的温度、水等。行星形成后，根据中心恒星的光度和与行星的距离，我们可以估算行星的表面温度，判断其是否宜居。如果黑洞行星是孤立的，很难具备上述条件。此外，考虑到黑洞周围X射线暴发、黑洞潮汐瓦解、中心区域超新星爆发等高能事件，生命在这里生存十分困难。

　　通常在搜寻地外生命过程中，会考虑行星是否处在宜居带上，以及在恒星周围适宜距离内，水是否能以液态方式存在，这样才有孕育生命的可能。

　　需要指出的是，在黑洞行星中寻找生命的迹象，除满足液态水存在条件外，还必须考虑更多因素。如果在星系中心区域恒星等物质相对密集，黑洞行星很容易受到一些灾难性事件的影响，例如星系中心黑洞活动产生大量的高能射线、部分近距离的恒星被中心超大质量黑洞瓦解等，这些高能天文事件可能每几千年就会出现，这将给黑洞周围行星生命带来毁灭性打击。

　　吴庆文说，目前关于黑洞行星的一切均是初步探究与计算，或许在不久的将来，黑洞这一现代天文学“魔主”的神秘面纱终将被揭开。

　　“在黑洞附近探寻生命迹象的可能性难以预料，但如果我们永远不去探索，可能性就是零。”吴庆文表示，探索星际本应如此，尽管人类还无从得知黑洞行星上是否有可能存在生命。