黑洞也能孕育行星 但在上面寻找生命有点难

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。

来源:科技日报

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