100萬顆宜居行星（理論上）可以繞黑洞執行

一位天體物理學家表示，一個黑洞可能有100萬顆圍繞它運轉的行星，它們有可能支援我們所知的生命。由於地球上幾乎所有地方都有生命存在液態水，天文學家經常認為，如果一個世界在液態水可以在其表面生存的區域內執行，那麼它就有可能適合居住。我們的太陽“宜居地帶”只有一顆行星(地球)，但其他恆星的情況可能有所不同。例如TRAPPIST-1系統在其可居住區域內有三顆地球大小的行星。肖恩·雷蒙德是法國波爾多天文臺的天體物理學家，他研究行星系統是如何形成和演化的。

《星際穿越》中的黑洞

目前科學家最瞭解的黑洞有兩種。恆星質量的黑洞在質量上與幾個太陽相當，當巨星死亡並坍縮時，它們就形成了。超大質量黑洞的質量是太陽質量的數百萬到數十億倍，並且被認為存在於大多數(如果不是全部)大型星系的心臟中。(第三類，質量中等的黑洞，人們對其瞭解甚少。)黑洞非常緊湊。一個擁有太陽質量的黑洞只有3.7英里(6公里)寬。相比之下,人馬座A *,超大質量黑洞認為潛伏在銀河系的中心,有400萬個太陽的質量和一個直徑約1470萬英里(2360萬公里),或略高於40%水星繞太陽執行的軌道的大小。

如果太陽有一個黑洞伴星呢？

假設太陽-黑洞-太陽系的圖。圖片：Sean Raymond

物理學課堂上常見的一個問題是，如果太陽被質量相同的黑洞所取代，會發生什麼變化。答案是，行星的軌道不會改變——如果黑洞的質量和太陽一樣，那麼它的軌道將保持不變（在這種情況下，地球上的生命顯然會受到缺乏光照和熱量的影響）。如果太陽附近有一個質量相等的黑洞伴星——大約是一個天文單位(AU)的十分之一：那麼太陽系行星的軌道不會有太大的改變。(一個天文單位是地球與太陽的距離——約9300萬英里，即1.5億公里)。儘管如此，假設這些行星與太陽保持相同的距離，太陽的引力和黑洞夥伴的引力將導致這些行星更快地完成它們的軌道，地球的年從365天減少到258天。在上面的場景中，太陽和黑洞每隔2.9天就完成一個軌道。這意味著地球從太陽接收到的能量將在太陽從離地球更近或更接近地球時的90%到110%之間波動。這就像是每2.9天在紐約和邁阿密之間來回奔波。

如果超大質量黑洞有行星環呢？

除了想象恆星質量黑洞周圍的生活之外，還計算出了有多少可能適合居住的行星可能適合超大質量的黑洞，即太陽質量的100萬倍。這幾乎和銀河系中心的那個一樣大，這隻會與太陽的直徑有關。在太陽周圍，行星執行的軌道只有在它們的引力作用壓倒太陽之前才能如此緊密地結合在一起，從而導致不穩定的軌道。大約有六顆地球質量的行星可以在太陽的宜居帶內保持穩定的同心圓軌道。相比之下，超大質量黑洞的引力異常強大，足以輕而易舉地吞沒行星。如果太陽被一個百萬太陽質量的黑洞所取代，550個地球質量的行星就能在宜居帶中保持穩定的同心圓軌道。超大質量黑洞的引力會更強地拉向每顆行星靠近黑洞的位置。這將把可居住區域的行星拉長，儘管它們離得不夠近，無法被撕裂。

根據天體物理學家肖恩·雷蒙德(Sean Raymond)的說法，在一些偶然的恆星位置上，超過500顆類地行星可以圍繞一個百萬太陽質量的黑洞旋轉。圖片：Sean Raymond

在這個超大質量黑洞周圍創造一個可居住區域的一種方法是在它和行星之間放置恆星。雷蒙說，從一個有百萬顆太陽的黑洞中取出9顆類似太陽的恆星組成的光環，將使上述550顆地球質量的行星中的每一顆都有可能適合居住。在這個系統中生活在一個星球上是很有趣的。只需要幾天就能完成環繞黑洞的軌道——在宜居帶內邊緣大約1.6天，在外層邊緣大約4.6天。在兩顆這樣的行星之間最接近的距離，或者合在一起，這些行星之間的距離將是“地月距離的兩倍左右”。“合在一起，每顆行星最近的鄰居出現在天空中大約是滿月的兩倍大。相鄰的鄰居之間的距離只有距離的兩倍，所以在一起的時候會出現滿月那麼大。

在合相期間，另外四顆行星的大小至少是滿月的一半。在每一個軌道上，碰撞發生的次數都少於一次，所以每隔幾天就會有一群巨大的物體穿過天空。這九個太陽“也將是一個景象。每一個都將每3小時完成一次圍繞黑洞的軌道。這意味著每20分鐘就會有一個太陽從黑洞後面經過。當太陽從黑洞後面經過時，黑洞的引力會使光線彎曲，就像透鏡一樣。它將太陽的光線聚焦到行星上。這使太陽的形狀扭曲成一個圓環……美麗的燈光秀。此外，星光會被黑洞的引力拉長，靠近黑洞的恆星會顯得更紅，而離黑洞較遠的恆星會顯得更藍。

黑洞周圍有上百萬顆行星

在之前的場景中，每顆行星都是單獨圍繞著超大質量黑洞執行的。雷蒙德還模擬瞭如果多顆行星圍繞一個百萬太陽黑洞的軌道執行會發生什麼。在此之前，雷蒙德計算出42顆地球質量的行星可以繞著1圈圍繞太陽執行。為了有一個穩定的行星環，雷蒙德指出，在這個環裡的行星必須有大致相同的質量。在這樣一個環裡，至少也有七顆行星，而且它們必須沿著一個圓形軌道均勻地分佈。假設有一個由9顆類似太陽的恆星組成的軌道環的百萬顆太陽黑洞，雷蒙德計算出有100萬顆地球質量的行星可以以400個環在宜居帶內執行，每個環包含2500顆行星，它們之間的距離與地球和月球之間的距離大致相同。

在這種情況下，行星再次需要1.6到4.6天才能完成一個軌道。雷蒙德並沒有把九顆類日恆星放在黑洞和行星之間，而是建議人們可以把36顆類日恆星放在一個6天文單位寬的環中。在這種情況下，“每個行星都沐浴在來自四面八方的陽光中——行星沒有夜晚的一面。這就像阿西莫夫永恆的白天星球卡加什。在這些星系中，永遠不會感到孤獨——其他星球將在天空中出現。鄰近的行星距離地球的距離是月球的10倍，這意味著它們在天空中出現的距離是滿月的40倍。這個尺寸和手提電腦的大小差不多，只在手臂夠得著的地方。

在後一種情況下，行星會更接近黑洞，每一個都在大約9小時內完成一個軌道。這意味著它們將以非常快的速度執行——大約是光速的10%。根據愛因斯坦的狹義相對論，當時間越接近光速，它的運動速度就越慢，所以“兩個在不同的環上同時出生的嬰兒的衰老速度就會略有不同，內環上的嬰兒衰老的速度會稍微慢一些。這兩個環之間的速度差異非常大，很可能使宇宙飛船不可能用任何現有的技術從一個環到另一個環。然而，每個世界都會與其他成千上萬的行星共享它的光環，相鄰行星之間的相對速度幾乎為零，太空升降機可以連線行星。如果每一對相鄰的行星沿著一個給定的環連在一起，它就會像一個“環世界”，一個巨大的外星巨型結構，在拉里·尼文同名科幻史詩中出現。

這個裝置和拉里·尼文書中的‘環形世界’的區別在於，在這種情況下，行星之間沒有可居住的表面積。這樣的百萬行星系統從何而來?雷蒙德說:“我可以想象，超級先進的外星人創造了一個系統，就像百萬地球的太陽系一樣，是一種宇宙藝術，有點像摩天大樓或彩繪冰山的藝術，在最巨集偉的尺度上看看我們有多奇特。或者外星人可能會把這種系統建成動物園，他們可以有一個從最熱到最冷的氣候梯度，在整個宇宙中儲存各種各樣的生物。當然必須小心，不要把太空生物的錯誤組合放在同一個行星環上，因為那樣不會有好結果。總的來說，想出所有可能存在的行星系統是很有幫助的，有些發現可以通過‘去那兒’和想象一些遠遠超出常規的可能性來預測，這些系統是科幻小說和“去那裡”的結合，想做的主要事情就是努力突破我們認為可能的極限。

博科園-科學科普｜文：Charles Q. Choi/Space