浩瀚宇宙中，黑洞猶如一只吞噬猛獸，沒(méi)有任何物質(zhì)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(tuán)隊(duì)提出，超大質(zhì)量黑洞周?chē)嬖陬?lèi)似圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星。這類(lèi)行星是如何形成的?是否普遍存在?它們又是如何被發(fā)現(xiàn)的?這些行星上是否有生命存在?帶著這些問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者專(zhuān)訪了華中科技大學(xué)物理學(xué)院副院長(zhǎng)吳慶文教授。

距離決定黑洞行星能否“降生”

在黑洞附近發(fā)現(xiàn)行星并非一次偶然之舉。

人類(lèi)是宇宙中唯一的生命嗎?為回答這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家不斷搜尋系外行星。2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三位獲獎(jiǎng)?wù)咧?，就有兩人是因?yàn)樵谙低庑行茄芯糠矫嫒〉猛黄菩赃M(jìn)展而獲獎(jiǎng)。

截至目前，我們已發(fā)現(xiàn)4000多個(gè)系外行星。

“系外行星是當(dāng)前天文學(xué)最熱點(diǎn)和最前沿的研究領(lǐng)域之一，科學(xué)家主要是在類(lèi)似太陽(yáng)這樣的恒星周?chē)鷮ふ摇?rdquo;吳慶文說(shuō)，尋找更多系外行星，有利于理解太陽(yáng)系形成、地球演化史及生命起源等謎題。

近日，日本研究團(tuán)隊(duì)表示銀河系中心黑洞周?chē)部赡艽嬖诖罅啃行?，這一新觀點(diǎn)頓時(shí)引爆學(xué)術(shù)界。

吳慶文介紹，此前科學(xué)家利用阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波望遠(yuǎn)鏡陣列(ALMA)，觀測(cè)到類(lèi)似早期太陽(yáng)系的形成過(guò)程。首先是氣體和塵埃在自引力作用下坍縮形成恒星;隨著時(shí)間推移，恒星周?chē)谋P(pán)狀氣體、塵埃等會(huì)逐漸聚集形成更大團(tuán)塊，并進(jìn)一步凝聚，逐漸形成行星。

日本天文學(xué)家提出，氣體和塵埃并非年輕恒星獨(dú)有，在星系中心黑洞周?chē)泊嬖谥罅繗怏w和塵埃，其質(zhì)量可以比原恒星盤(pán)大數(shù)十億倍，像銀河系中心黑洞這樣黯淡、寒冷的超大質(zhì)量黑洞或許也是孕育行星的理想場(chǎng)所。

冰的形成以及更多氣體和塵埃等的凝結(jié)，是形成行星的關(guān)鍵條件。吳慶文說(shuō)，黑洞周?chē)鷼怏w盤(pán)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(jīng)計(jì)算，對(duì)于銀河系中心這種400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞來(lái)說(shuō)，距離黑洞大約10光年，就足以讓塵埃和水等氣體凝結(jié)，并形成幾倍到幾千倍地球質(zhì)量的行星，這類(lèi)行星被稱(chēng)為黑洞行星。

生活在黑洞身邊，黑洞行星多少有些“擔(dān)驚受怕”。黑洞擁有強(qiáng)大的引力，在視界范圍之內(nèi)連光都難以逃脫，即便在稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方，黑洞周?chē)鷱?qiáng)大的潮汐力也可能將天體撕碎。這聽(tīng)上去非?？植?，但隨著距離進(jìn)一步增大，黑洞引力將會(huì)迅速減小，在一定距離以外(約幾光年)，炙熱氣體的運(yùn)動(dòng)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(huì)被黑洞吞噬。

遙遠(yuǎn)的距離，正是黑洞行星形成壯大的溫床。

另辟蹊徑尋找類(lèi)地行星

吳慶文說(shuō)，宇宙存在數(shù)千億個(gè)星系，每個(gè)星系又存在數(shù)千億顆恒星，因此類(lèi)地行星必然存在，黑洞行星或許也應(yīng)該普遍存在。因距離遙遠(yuǎn)，人類(lèi)對(duì)銀河系中心超大質(zhì)量黑洞周?chē)男行沁M(jìn)行直接探測(cè)，還存在巨大困難。

或許另辟蹊徑才能找到正確的答案。

此前，日本鹿兒島大學(xué)天體物理學(xué)教授惠田敬一認(rèn)為，現(xiàn)代天體物理學(xué)發(fā)展顯現(xiàn)出一種傾向，即向不習(xí)慣的、出乎意料的、甚至仿佛是不可能的方向發(fā)展。

“人類(lèi)作為生活在行星上的智慧生物，一直對(duì)圍繞其他恒星繞轉(zhuǎn)的行星有著濃厚興趣。”吳慶文介紹，宇宙存在活動(dòng)星系核、低光度星系核和X射線雙星等不同的黑洞系統(tǒng)，根據(jù)惠田敬一團(tuán)隊(duì)的研究模型，生命周期較短、光度相對(duì)較低的活動(dòng)星系核周?chē)话銜?huì)出現(xiàn)黑洞行星。

一般而言，對(duì)于常見(jiàn)的圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星系統(tǒng)，形成恒星后，塵埃和氣體會(huì)在新生恒星周?chē)行潜P(pán)中冷卻，塵埃會(huì)凝結(jié)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(jīng)過(guò)不同的物理過(guò)程形成不同的行星，如類(lèi)似木星的氣體巨行星，或類(lèi)似地球的巖石行星。

與恒星一樣，黑洞也有類(lèi)似的培育行星的“育嬰室”。吳慶文說(shuō)，超大質(zhì)量黑洞一般位于星系中心，通過(guò)吸積物質(zhì)向星系提供能量。吸積是一種致密中心天體通過(guò)引力作用捕獲周?chē)橘|(zhì)的高效率過(guò)程，被吸積的物質(zhì)由于帶有初始角動(dòng)量而圍繞中心黑洞旋轉(zhuǎn)形成吸積盤(pán)。除吸積盤(pán)外，黑洞周?chē)€存在著巨大的塵埃環(huán)，在吸積盤(pán)外區(qū)和塵埃環(huán)中的物質(zhì)與原行星盤(pán)存在一定相似性，以此為基礎(chǔ)考慮黑洞周?chē)欠翊嬖谛行?，十分合理?/p>

惠田敬一團(tuán)隊(duì)的模型計(jì)算結(jié)果顯示，最可能形成的黑洞行星質(zhì)量約是地球的幾十到幾百倍，甚至有可能達(dá)到行星質(zhì)量上限。在默認(rèn)兩種行星平均內(nèi)部密度相似的條件下，黑洞行星半徑最大可達(dá)到地球半徑的十倍。

“夾縫”中尋找地外生命

“生命起源是一個(gè)重大的科學(xué)命題，黑洞行星上是否有可能存在生命形態(tài)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(huán)境對(duì)孕育生命起到至關(guān)重要的作用。

吳慶文指出，雖然星系中心超大質(zhì)量黑洞周?chē)梢孕纬尚行牵@類(lèi)行星和恒星周?chē)行怯兄^大的差異。

類(lèi)似地球這種行星圍繞類(lèi)太陽(yáng)恒星運(yùn)轉(zhuǎn)，可以獲得陽(yáng)光滋潤(rùn)，黑洞行星未必具有這個(gè)條件。雖然不排除黑洞周?chē)赡苄纬深?lèi)似太陽(yáng)系的恒星和行星系統(tǒng)，然而黑洞行星與黑洞的距離比地球到太陽(yáng)的距離大很多，對(duì)于形單影只的黑洞行星而言，不一定像地球一樣擁有陽(yáng)光。

銀河系中心黑洞輻射主要是在X射線波段，而太陽(yáng)輻射主要是在光學(xué)波段，意味著黑洞行星無(wú)法獲得較好的日照。此外，超大質(zhì)量黑洞周?chē)嬖诤芏喔吣芑顒?dòng)現(xiàn)象，這些高能X射線輻射或紫外輻射會(huì)將行星表面的大氣電離并吹走。火星表面大氣極其稀薄，正是因?yàn)槠浯髿鈳缀醵急惶?yáng)風(fēng)剝離。

吳慶文說(shuō)，生命存在需要特定條件，比如適宜的溫度、水等。行星形成后，根據(jù)中心恒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?chē)鶻射線暴發(fā)、黑洞潮汐瓦解、中心區(qū)域超新星爆發(fā)等高能事件，生命在這里生存十分困難。

通常在搜尋地外生命過(guò)程中，會(huì)考慮行星是否處在宜居帶上，以及在恒星周?chē)m宜距離內(nèi)，水是否能以液態(tài)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(mǎn)足液態(tài)水存在條件外，還必須考慮更多因素。如果在星系中心區(qū)域恒星等物質(zhì)相對(duì)密集，黑洞行星很容易受到一些災(zāi)難性事件的影響，例如星系中心黑洞活動(dòng)產(chǎn)生大量的高能射線、部分近距離的恒星被中心超大質(zhì)量黑洞瓦解等，這些高能天文事件可能每幾千年就會(huì)出現(xiàn)，這將給黑洞周?chē)行巧鼛?lái)毀滅性打擊。

吳慶文說(shuō)，目前關(guān)于黑洞行星的一切均是初步探究與計(jì)算，或許在不久的將來(lái)，黑洞這一現(xiàn)代天文學(xué)“魔主”的神秘面紗終將被揭開(kāi)。

“在黑洞附近探尋生命跡象的可能性難以預(yù)料，但如果我們永遠(yuǎn)不去探索，可能性就是零。”吳慶文表示，探索星際本應(yīng)如此，盡管人類(lèi)還無(wú)從得知黑洞行星上是否有可能存在生命。