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    100万颗宜居行星(理论上)可以绕黑洞运行

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      普朗克

      一位天体物理学家表示,一个黑洞可能有100万颗围绕它运转的行星,它们有可能支持我们所知的生命。由于地球上几乎所有地方都有生命存在液态水,天文学家经常认为,如果一个世界在液态水可以在其表面生存的区域内运行,那么它就有可能适合居住。我们的太阳“宜居地带”只有一颗行星(地球),但其他恒星的情况可能有所不同。例如TRAPPIST-1系统在其可居住区域内有三颗地球大小的行星。肖恩·雷蒙德是法国波尔多天文台的天体物理学家,他研究行星系统是如何形成和演化的。

      100万颗宜居行星(理论上)可以绕黑洞运行

      《星际穿越》中的黑洞

      目前科学家最了解的黑洞有两种。恒星质量的黑洞在质量上与几个太阳相当,当巨星死亡并坍缩时,它们就形成了。超大质量黑洞的质量是太阳质量的数百万到数十亿倍,并且被认为存在于大多数(如果不是全部)大型星系的心脏中。(第三类,质量中等的黑洞,人们对其了解甚少。)黑洞非常紧凑。一个拥有太阳质量的黑洞只有3.7英里(6公里)宽。相比之下,人马座A *,超大质量黑洞认为潜伏在银河系的中心,有400万个太阳的质量和一个直径约1470万英里(2360万公里),或略高于40%水星绕太阳运行的轨道的大小。

      如果太阳有一个黑洞伴星呢?

      100万颗宜居行星(理论上)可以绕黑洞运行

      假设太阳-黑洞-太阳系的图。图片:Sean Raymond

      物理学课堂上常见的一个问题是,如果太阳被质量相同的黑洞所取代,会发生什么变化。答案是,行星的轨道不会改变——如果黑洞的质量和太阳一样,那么它的轨道将保持不变(在这种情况下,地球上的生命显然会受到缺乏光照和热量的影响)。如果太阳附近有一个质量相等的黑洞伴星——大约是一个天文单位(AU)的十分之一:那么太阳系行星的轨道不会有太大的改变。(一个天文单位是地球与太阳的距离——约9300万英里,即1.5亿公里)。尽管如此,假设这些行星与太阳保持相同的距离,太阳的引力和黑洞伙伴的引力将导致这些行星更快地完成它们的轨道,地球的年从365天减少到258天。在上面的场景中,太阳和黑洞每隔2.9天就完成一个轨道。这意味着地球从太阳接收到的能量将在太阳从离地球更近或更接近地球时的90%到110%之间波动。这就像是每2.9天在纽约和迈阿密之间来回奔波。

      如果超大质量黑洞有行星环呢?

      除了想象恒星质量黑洞周围的生活之外,还计算出了有多少可能适合居住的行星可能适合超大质量的黑洞,即太阳质量的100万倍。这几乎和银河系中心的那个一样大,这只会与太阳的直径有关。在太阳周围,行星运行的轨道只有在它们的引力作用压倒太阳之前才能如此紧密地结合在一起,从而导致不稳定的轨道。大约有六颗地球质量的行星可以在太阳的宜居带内保持稳定的同心圆轨道。相比之下,超大质量黑洞的引力异常强大,足以轻而易举地吞没行星。如果太阳被一个百万太阳质量的黑洞所取代,550个地球质量的行星就能在宜居带中保持稳定的同心圆轨道。超大质量黑洞的引力会更强地拉向每颗行星靠近黑洞的位置。这将把可居住区域的行星拉长,尽管它们离得不够近,无法被撕裂。

      100万颗宜居行星(理论上)可以绕黑洞运行

      根据天体物理学家肖恩·雷蒙德(Sean Raymond)的说法,在一些偶然的恒星位置上,超过500颗类地行星可以围绕一个百万太阳质量的黑洞旋转。图片:Sean Raymond

      在这个超大质量黑洞周围创造一个可居住区域的一种方法是在它和行星之间放置恒星。雷蒙说,从一个有百万颗太阳的黑洞中取出9颗类似太阳的恒星组成的光环,将使上述550颗地球质量的行星中的每一颗都有可能适合居住。在这个系统中生活在一个星球上是很有趣的。只需要几天就能完成环绕黑洞的轨道——在宜居带内边缘大约1.6天,在外层边缘大约4.6天。在两颗这样的行星之间最接近的距离,或者合在一起,这些行星之间的距离将是“地月距离的两倍左右”。“合在一起,每颗行星最近的邻居出现在天空中大约是满月的两倍大。相邻的邻居之间的距离只有距离的两倍,所以在一起的时候会出现满月那么大。

      在合相期间,另外四颗行星的大小至少是满月的一半。在每一个轨道上,碰撞发生的次数都少于一次,所以每隔几天就会有一群巨大的物体穿过天空。这九个太阳“也将是一个景象。每一个都将每3小时完成一次围绕黑洞的轨道。这意味着每20分钟就会有一个太阳从黑洞后面经过。当太阳从黑洞后面经过时,黑洞的引力会使光线弯曲,就像透镜一样。它将太阳的光线聚焦到行星上。这使太阳的形状扭曲成一个圆环……美丽的灯光秀。此外,星光会被黑洞的引力拉长,靠近黑洞的恒星会显得更红,而离黑洞较远的恒星会显得更蓝。

      黑洞周围有上百万颗行星

      在之前的场景中,每颗行星都是单独围绕着超大质量黑洞运行的。雷蒙德还模拟了如果多颗行星围绕一个百万太阳黑洞的轨道运行会发生什么。在此之前,雷蒙德计算出42颗地球质量的行星可以绕着1圈围绕太阳运行。为了有一个稳定的行星环,雷蒙德指出,在这个环里的行星必须有大致相同的质量。在这样一个环里,至少也有七颗行星,而且它们必须沿着一个圆形轨道均匀地分布。假设有一个由9颗类似太阳的恒星组成的轨道环的百万颗太阳黑洞,雷蒙德计算出有100万颗地球质量的行星可以以400个环在宜居带内运行,每个环包含2500颗行星,它们之间的距离与地球和月球之间的距离大致相同。

      100万颗宜居行星(理论上)可以绕黑洞运行

      在这种情况下,行星再次需要1.6到4.6天才能完成一个轨道。雷蒙德并没有把九颗类日恒星放在黑洞和行星之间,而是建议人们可以把36颗类日恒星放在一个6天文单位宽的环中。在这种情况下,“每个行星都沐浴在来自四面八方的阳光中——行星没有夜晚的一面。这就像阿西莫夫永恒的白天星球卡加什。在这些星系中,永远不会感到孤独——其他星球将在天空中出现。邻近的行星距离地球的距离是月球的10倍,这意味着它们在天空中出现的距离是满月的40倍。这个尺寸和手提电脑的大小差不多,只在手臂够得着的地方。

      在后一种情况下,行星会更接近黑洞,每一个都在大约9小时内完成一个轨道。这意味着它们将以非常快的速度运行——大约是光速的10%。根据爱因斯坦的狭义相对论,当时间越接近光速,它的运动速度就越慢,所以“两个在不同的环上同时出生的婴儿的衰老速度就会略有不同,内环上的婴儿衰老的速度会稍微慢一些。这两个环之间的速度差异非常大,很可能使宇宙飞船不可能用任何现有的技术从一个环到另一个环。然而,每个世界都会与其他成千上万的行星共享它的光环,相邻行星之间的相对速度几乎为零,太空升降机可以连接行星。如果每一对相邻的行星沿着一个给定的环连在一起,它就会像一个“环世界”,一个巨大的外星巨型结构,在拉里·尼文同名科幻史诗中出现。

      这个装置和拉里·尼文书中的‘环形世界’的区别在于,在这种情况下,行星之间没有可居住的表面积。这样的百万行星系统从何而来?雷蒙德说:“我可以想象,超级先进的外星人创造了一个系统,就像百万地球的太阳系一样,是一种宇宙艺术,有点像摩天大楼或彩绘冰山的艺术,在最宏伟的尺度上看看我们有多奇特。或者外星人可能会把这种系统建成动物园,他们可以有一个从最热到最冷的气候梯度,在整个宇宙中储存各种各样的生物。当然必须小心,不要把太空生物的错误组合放在同一个行星环上,因为那样不会有好结果。总的来说,想出所有可能存在的行星系统是很有帮助的,有些发现可以通过‘去那儿’和想象一些远远超出常规的可能性来预测,这些系统是科幻小说和“去那里”的结合,想做的主要事情就是努力突破我们认为可能的极限。

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