2020-09-07 05:23:57 來源：科技日報
浩瀚宇宙中，黑洞猶如一隻吞噬猛獸，沒有任何物質能從它的巨大引力「魔爪」中逃脫，就連光也不例外。
近日，有研究團隊提出，超大質量黑洞周圍存在類似圍繞恆星運轉的行星。這類行星是如何形成的？是否普遍存在？它們又是如何被發現的？這些行星上是否有生命存在？帶著這些問題，科技日報記者專訪了華中科技大學物理學院副院長吳慶文教授。
距離決定黑洞行星能否「降生」
在黑洞附近發現行星並非一次偶然之舉。
人類是宇宙中唯一的生命嗎？為回答這個問題，科學家不斷搜尋系外行星。2019年諾貝爾物理學獎三位獲獎者中，就有兩人是因為在系外行星研究方面取得突破性進展而獲獎。
截至目前，我們已發現4000多個系外行星。
「系外行星是當前天文學最熱點和最前沿的研究領域之一，科學家主要是在類似太陽這樣的恆星周圍尋找。」吳慶文說，尋找更多系外行星，有利於理解太陽系形成、地球演化史及生命起源等謎題。
近日，日本研究團隊表示銀河系中心黑洞周圍也可能存在大量行星，這一新觀點頓時引爆學術界。
吳慶文介紹，此前科學家利用阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波望遠鏡陣列(ALMA)，觀測到類似早期太陽系的形成過程。首先是氣體和塵埃在自引力作用下坍縮形成恆星；隨著時間推移，恆星周圍的盤狀氣體、塵埃等會逐漸聚集形成更大團塊，並進一步凝聚，逐漸形成行星。
日本天文學家提出，氣體和塵埃並非年輕恆星獨有，在星系中心黑洞周圍也存在著大量氣體和塵埃，其質量可以比原恆星盤大數十億倍，像銀河系中心黑洞這樣黯淡、寒冷的超大質量黑洞或許也是孕育行星的理想場所。
冰的形成以及更多氣體和塵埃等的凝結，是形成行星的關鍵條件。吳慶文說，黑洞周圍氣體盤中，離黑洞越近氣體溫度越高，但在一定距離之外，溫度足夠低，能夠讓一些水變成冰。經計算，對於銀河系中心這種400萬倍太陽質量的超大質量黑洞來說，距離黑洞大約10光年，就足以讓塵埃和水等氣體凝結，並形成幾倍到幾千倍地球質量的行星，這類行星被稱為黑洞行星。
生活在黑洞身邊，黑洞行星多少有些「擔驚受怕」。黑洞擁有強大的引力，在視界範圍之內連光都難以逃脫，即便在稍遠一點的地方，黑洞周圍強大的潮汐力也可能將天體撕碎。這聽上去非常恐怖，但隨著距離進一步增大，黑洞引力將會迅速減小，在一定距離以外(約幾光年)，炙熱氣體的運動幾乎不再受黑洞引力控制。所以，黑洞行星的形成條件已決定它不會被黑洞吞噬。
遙遠的距離，正是黑洞行星形成壯大的溫床。
另闢蹊徑尋找類地行星
吳慶文說，宇宙存在數千億個星系，每個星系又存在數千億顆恆星，因此類地行星必然存在，黑洞行星或許也應該普遍存在。因距離遙遠，人類對銀河系中心超大質量黑洞周圍的行星進行直接探測，還存在巨大困難。
或許另闢蹊徑才能找到正確的答案。
此前，日本鹿兒島大學天體物理學教授惠田敬一認為，現代天體物理學發展顯現出一種傾向，即向不習慣的、出乎意料的、甚至仿佛是不可能的方向發展。
「人類作為生活在行星上的智慧生物，一直對圍繞其他恆星繞轉的行星有著濃厚興趣。」吳慶文介紹，宇宙存在活動星系核、低光度星系核和X射線雙星等不同的黑洞系統，根據惠田敬一團隊的研究模型，生命周期較短、光度相對較低的活動星系核周圍一般會出現黑洞行星。
一般而言，對於常見的圍繞恆星運轉的行星系統，形成恆星後，塵埃和氣體會在新生恆星周圍原行星盤中冷卻，塵埃會凝結聚集成更大的顆粒，在碰撞和壓縮中形成小行星，小行星之間相互碰撞形成更大尺寸的行星胚胎，最終經過不同的物理過程形成不同的行星，如類似木星的氣體巨行星，或類似地球的巖石行星。
與恆星一樣，黑洞也有類似的培育行星的「育嬰室」。吳慶文說，超大質量黑洞一般位於星系中心，通過吸積物質向星系提供能量。吸積是一種緻密中心天體通過引力作用捕獲周圍介質的高效率過程，被吸積的物質由於帶有初始角動量而圍繞中心黑洞旋轉形成吸積盤。除吸積盤外，黑洞周圍還存在著巨大的塵埃環，在吸積盤外區和塵埃環中的物質與原行星盤存在一定相似性，以此為基礎考慮黑洞周圍是否存在行星，十分合理。
惠田敬一團隊的模型計算結果顯示，最可能形成的黑洞行星質量約是地球的幾十到幾百倍，甚至有可能達到行星質量上限。在默認兩種行星平均內部密度相似的條件下，黑洞行星半徑最大可達到地球半徑的十倍。
「夾縫」中尋找地外生命
「生命起源是一個重大的科學命題，黑洞行星上是否有可能存在生命形態值得研究。」吳慶文表示，生命很偉大，但也很脆弱，適宜、安全的環境對孕育生命起到至關重要的作用。
吳慶文指出，雖然星系中心超大質量黑洞周圍可以形成行星，但這類行星和恆星周圍行星有著較大的差異。
類似地球這種行星圍繞類太陽恆星運轉，可以獲得陽光滋潤，黑洞行星未必具有這個條件。雖然不排除黑洞周圍可能形成類似太陽系的恆星和行星系統，然而黑洞行星與黑洞的距離比地球到太陽的距離大很多，對於形單影隻的黑洞行星而言，不一定像地球一樣擁有陽光。
銀河系中心黑洞輻射主要是在X射線波段，而太陽輻射主要是在光學波段，意味著黑洞行星無法獲得較好的日照。此外，超大質量黑洞周圍存在很多高能活動現象，這些高能X射線輻射或紫外輻射會將行星表面的大氣電離並吹走。火星表面大氣極其稀薄，正是因為其大氣幾乎都被太陽風剝離。
吳慶文說，生命存在需要特定條件，比如適宜的溫度、水等。行星形成後，根據中心恆星的光度和與行星的距離，我們可以估算行星的表面溫度，判斷其是否宜居。如果黑洞行星是孤立的，很難具備上述條件。此外，考慮到黑洞周圍X射線暴發、黑洞潮汐瓦解、中心區域超新星爆發等高能事件，生命在這裡生存十分困難。
通常在搜尋地外生命過程中，會考慮行星是否處在宜居帶上，以及在恆星周圍適宜距離內，水是否能以液態方式存在，這樣才有孕育生命的可能。
需要指出的是，在黑洞行星中尋找生命的跡象，除滿足液態水存在條件外，還必須考慮更多因素。如果在星系中心區域恆星等物質相對密集，黑洞行星很容易受到一些災難性事件的影響，例如星系中心黑洞活動產生大量的高能射線、部分近距離的恆星被中心超大質量黑洞瓦解等，這些高能天文事件可能每幾千年就會出現，這將給黑洞周圍行星生命帶來毀滅性打擊。
吳慶文說，目前關於黑洞行星的一切均是初步探究與計算，或許在不久的將來，黑洞這一現代天文學「魔主」的神秘面紗終將被揭開。
「在黑洞附近探尋生命跡象的可能性難以預料，但如果我們永遠不去探索，可能性就是零。」吳慶文表示，探索星際本應如此，儘管人類還無從得知黑洞行星上是否有可能存在生命。
編輯：肖天