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。
既然如此,为什么不干脆用火箭把核废料送上太空,直接扔进太阳里烧掉呢? 这个设想看似简单直接,但仔细分析就会发现问题重重。
首先,把核废料装上火箭本身就极其危险。
火箭在发射过程中偶尔会发生爆炸事故,一旦装载核废料的火箭在升空时爆炸,就会瞬间变成一枚威力巨大的"脏弹",把放射性物质散布到广阔区域,后果不堪设想。
不过,除了发射风险之外,还有一个更为根本的原因——想要真正把物体送进太阳,其实非常非常困难。
乍看上去,飞向太阳应当是件容易的事,毕竟太阳的引力一直在把万物往它那里拉。
然而事实并非如此。
地球以及地球上的一切物体,都在以极高的速度绕着太阳做侧向运动。
当我们朝太阳"下落"的同时,也在以惊人的横向速度从它旁边掠过,结果就是一次次与太阳擦肩而过。
要想真正撞进太阳,就必须把这种侧向速度降下来,让飞行器不再横着飞。
而且这种减速必须彻底——只要还残留哪怕一点点侧向速度,飞行器就会与太阳失之交臂,绕着它兜一圈甩出去,而不是一头栽进去。
那么,需要把速度降低多少呢? 地球连同地球上的一切,都在以大约每秒30公里的速度围绕太阳运行。
这意味着,要让飞行器停止绕日运动、直接坠入太阳,就必须让它相对于地球以每秒30公里的速度向后加速,才能抵消这份公转速度,实现"太阳跳水"。
而且必须减到几乎为零,一点都不能剩。
每秒30公里究竟有多快?做个对比就一目了然。
从地球轨道出发,只需要比地球再快约每秒11公里,就足以彻底摆脱太阳的引力束缚,飞出整个太阳系。
换言之,把飞行器送出太阳系,比让它撞进太阳还要容易得多。
这一点值得再重复一遍:从能量消耗的角度看,前往其他恒星所需要的加速度,竟然比抵达身边这颗太阳还要小。
听起来匪夷所思,但事实确实如此。
而事情还可以变得更加违反直觉。
由于天体引力的强弱与距离密切相关,物体离太阳越近,所在轨道就越小,绕太阳的公转速度也就越快。
以太阳系的行星为例,水星绕太阳一圈的速度大约是地球的一点五倍,而遥远的冥王星速度只有地球的六分之一。
这就带来一个有趣的推论:从水星出发反而比从地球出发更难撞进太阳,尽管水星离太阳近得多。
原因在于,要在水星轨道上停下来,飞行器需要以每秒48公里的速度向后加速,比在地球轨道上所需的每秒30公里还要大得多。
相反,从冥王星轨道出发反而轻松得多——只需要以每秒5公里的速度反向加速,就足以让飞行器摆脱缓慢的公转速度,径直坠入太阳。
正因为如此,如果单纯依靠火箭动力来完成撞日任务,最高效的做法反倒是先把飞行器送到外太阳系去。
因为在外太阳系公转速度大幅降低,随后再进行第二次点火,抵消掉那微弱的横向速度,飞行器就能沿着近乎笔直的路径直接落向太阳。
这也正是美国国家航空航天局早期在规划太阳探测任务时,之所以曾提出让探测器先飞往木星轨道的原因——绕道外太阳系反而更容易减速、更容易接近太阳。
不过,任务规划人员最终并未采用这一方案,而是选择让探测器多次借助金星的引力弹弓效应逐步减速,从而节省宝贵的燃料,一步步靠近太阳。
至于引力弹弓具体是如何运作的,那就是一个值得单独展开的话题。
它是人类发射太空探测器时经常会使用到的一种加速方式,简单来讲,这种方式能够利用行星的引力把探测器"甩"出去,从而为探测器提供额外的速度。
借助这一手段,探测任务所需要的燃料和飞行时间都能被大幅压缩,因此几乎成了深空探测的标配技术。
不过,如果对这个过程稍作推敲,就会发现它并不像"绕一圈就加速"那样简单。
在多数人的印象中,引力弹弓的画面大致是这样的:探测器首先朝着某颗行星飞近,然后被行星的引力抓住、绕着它转上一圈,等到被甩出来的时候,速度就比进入时更快了。
听起来顺理成章,可只要多想一步,就会隐隐觉得有点不对劲。
问题的关键在于能量守恒。
当探测器靠近行星时,行星的引力做正功,探测器会被加速;可当它绕过近拱点、再从行星旁边远离时,同一份引力又会做负功,把刚刚获得的动能重新拉回去。
一进一出、加加减减,探测器相对于行星的速度理应回到原点,怎么会平白多出一截呢? 真正让这个"魔术"成立的,是参考系的切换。
相对于行星本身,探测器的速率进出确实几乎不变,弹弓过程只改变了它的飞行方向;但相对于太阳来说,行星本身也在高速公转,探测器借用的其实是行星绕日运动的那份动能。
行星在把探测器"甩"出去的同时,自身的公转速度会被极其微弱地拖慢一点,只不过行星的质量远远大于探测器,这份损失小到根本无法察觉。
所以,引力弹弓从来没有违反能量守恒定律,它只是把行星公转的动能借了一小勺给探测器。
理解了这一点,再回头看撞日任务为何要反复利用金星减速,也就顺理成章了——同样是引力弹弓,一次次借用行星的动量,就能把公转速度这道最难迈过去的坎,一点点悄悄磨掉。
说实话,我自己上学那会儿物理就没学明白,时间、空间、引力这些概念,脑子里只剩一团浆糊。
想给孩子讲几句吧,又怕讲错了、误人子弟;不讲吧,又不想打击孩子的好奇心。
尤其现在孩子上了小学中高年级,对科学的好奇心正是最旺盛的时候。
每天追着问"为什么",那股劲儿其实特别珍贵。
可咱们当家长的,确实不是万能的百科全书,很多科普知识自己都搞不清楚,更别说用孩子能听懂的话讲出来了。
我一开始也想给孩子买书,结果在书店翻了半天,越翻越没底。
那些宇宙科普书,要么是密密麻麻的专业术语,孩子翻两页就没了兴趣;要么图倒是漂亮,讲得却浮于表面,读完啥也没记住。
后来一个当老师的朋友给我推荐了一本《跟着霍金看宇宙》,我拿到手自己先翻了一遍,还真被惊艳到了。
这本书最大的好处,就是它真的站在孩子的认知水平上去讲宇宙,一点不端着。
先说它怎么讲黑洞。
书里没有上来就甩一堆公式,而是从霍金爷爷是怎么发现黑洞、怎么理解黑洞讲起,用特别形象的比喻,让孩子能"看见"黑洞在做什么。
我家孩子看完竟然主动跟我讲"黑洞就像宇宙里的贪吃怪",虽然不太准确,但那股理解和记忆的劲儿,可比死记硬背强太多了。
再说时间旅行这个更抽象的话题。
很多成年人一听都觉得玄乎,但这本书把它讲得特别接地气。
孩子看完恍然大悟,还跟我说"原来时间也会被引力拉慢呀"。
这种孩子能亲口讲出来的理解,正是我最看重的。
我觉得这本书特别适合几类孩子。
一种是那种天生爱问"为什么"、对天文特别感兴趣的孩子,能给他们一个很扎实的入门;另一种是平时不太爱看书、觉得科学枯燥的孩子,这本书的讲述方式能让他们重新觉得"原来科学这么有意思";还有一种就是咱们这些想陪孩子一起读、却自己也不太懂的家长,带着孩子一起看,正好补补课,还能顺便聊聊天。
书里的插图也很用心,结构清晰,读起来完全不费劲。
我家孩子现在每天睡前都要主动翻几页,还经常跑来给我"讲课"。
这种亲子共读的时光,可比看平板刷手机有意义多了。
而且这本书的定价也很实在,几十块钱就能给孩子打开一扇望向宇宙的窗,让孩子知道霍金爷爷那些听起来高深的理论,其实离我们并不遥远。
如果你也在为孩子选一本靠谱的宇宙科普入门书,或者发愁怎么跟孩子聊"时间""空间""黑洞"这些话题,我真的挺推荐这一本的。
能让孩子主动读、读得懂、还愿意开口讲的科普书,说实话真不多见。
趁着孩子对宇宙的好奇心正热乎,早一点给他一本合适的读物,早点点燃那颗探索的小火苗,说不定就种下了他未来仰望星空的种子呢。
这本书我自己翻过一遍,之所以敢放心推荐,还有一个很重要的原因——它讲科学,却不只是把知识倒给孩子,而是带着一种"陪孩子一起好奇"的温度。
霍金爷爷那套关于宇宙的想法,在书里被讲得既严谨又好懂,孩子读着不觉得吃力,家长陪着读也不觉得枯燥。
很多家长会纠结,孩子这么小,看这种书是不是太早了?其实恰恰相反,越早接触,越能在孩子心里种下对科学的好感。
等将来上了中学真正学物理的时候,孩子想起小时候读过的这本书,那些抽象的概念就会变得亲切起来,学起来也更省力。
如果要说一点小小的不足,那就是这本书需要家长稍微陪读几页,帮孩子把节奏带起来。
不过一旦孩子自己入了迷,后面你就会发现他根本停不下来了,天天追着你讨论外星人存不存在、宇宙有没有尽头。
总的来说,一本能让孩子主动去翻、读得懂又愿意开口讲的宇宙科普书,真的很难得。
如果你也想让孩子在这个好奇心爆棚的年纪,接触一点真正有意思、也有营养的知识,这本《跟着霍金看宇宙》是个非常不错的开始。
趁孩子这份好奇心还在,早一点把这本书带回家,说不定哪一天,他抬起头看星空的眼神,就不一样了。