[비즈한국] 人们通常认为黑洞是吞噬一切、毁灭一切的死亡领域。但如果告诉你，在黑洞周围反而正在诞生新的行星，你相信吗？令人惊讶的是，黑洞竟可能是孕育新行星的奇妙场所。甚至在一个超大质量黑洞周围，可能会源源不断地涌现出成千上万，甚至是数千万颗行星。
通常，行星当然是在恒星周围诞生的。我们的太阳系也始于46亿年前围绕着初生太阳的尘埃与气体圆盘。圆盘中的微小尘埃颗粒相互碰撞、结合，生长成更大的砾石和岩石。这些微小的星子相互碰撞、合并，最终演变成了像地球和木星这样的行星。
然而，在超大质量黑洞周围也会形成类似的圆盘。当银河系中心的黑洞吞噬周围的气体和尘埃时，物质并不会直接掉进黑洞，而是会在黑洞周围高速旋转，形成扁平且巨大的吸积盘。特别是黑洞贪婪吞噬物质的银河系中心，被称为活动星系核（AGN）。这种黑洞周围的圆盘内部非常炽热且明亮。气体喷射出强大的X射线和紫外线，而绝大多数尘埃因为无法承受高温而蒸发殆尽。显然，在这样的环境下无法形成行星。
但当我们移动到距离中心黑洞足够远的圆盘外侧时，情况就会完全不同。在距离超大质量黑洞约3至30光年的地方，存在一个温度大幅下降的区域。这里有气体和尘埃像昏暗厚重的甜甜圈一样环绕着黑洞，因此被称为“尘埃环面”（Dust Torus）。中心黑洞及其吸积盘内侧泄露出的强大辐射能量被厚厚的环面阻挡。在环面之外，温度降至足够低，硅酸盐、金属和冰得以留存。而就在这里，行星可以诞生。
太阳周围的原始行星盘通常维持在几百个天文单位（AU）的规模。但活动星系核的尘埃环面却延展至数光年甚至数十光年。仅从尺寸上简单对比，它就比普通的行星盘大上数千倍。当然，其中的材料总量也极其惊人。最近，天文学家确认了在这里极有可能涌现出数量惊人的行星。
假设一个质量为太阳1000万到10亿倍的巨大超大质量黑洞，并建立了一个磁场支撑圆盘的模型。事实上，磁场也是形成行星的重要因素。如果圆盘内的气体和尘埃太重，圆盘可能会直接整体崩塌，而不是一个一个地形成行星。那样反而难以制造出行星。但如果强磁场能够维持并支撑圆盘，就能阻止圆盘整体崩塌，圆盘内的尘埃颗粒得以留存并生长为独立的行星碎片。
此次模拟中确认的黑洞周边环境演化过程非常有趣。最初，只有1微米左右的小尘埃颗粒在漂浮，这大约只有人类头发直径的几十分之一到几百分之一。这些微小颗粒相互碰撞，生长到毫米或厘米级别。根据银河系中心黑洞的质量以及距离黑洞的远近，颗粒增大所需的时间从数千年到数亿年不等。
然而，当尘埃开始变大后，可能会出现新的问题。由于压力作用，圆盘中的气体物质速度逐渐变慢。尘埃颗粒在与气体相互作用的过程中持续移动。在此过程中，尘埃堆积较多的地方会产生更强的引力，吸引更多的尘埃。就像道路上的车辆减速导致后方持续拥堵一样，尘埃颗粒也会开始在圆盘的特定区域集中。这样积累的尘埃会聚集成细长的带状结构，形成一个“细丝”。
这一个细丝中蕴含的纯尘埃总量惊人。其质量可达木星的数万至数百万倍，甚至可以与太阳质量相当。如此巨量的尘埃粒子在圆盘中央形成了一条细长的带子，但这些细丝并不会立即聚集成一颗行星。
当密度高到一定程度后，细丝也无法抵御自身的引力而发生坍缩，随之分裂成无数更小的团块。这与太阳系中小行星和微星的形成过程相似，但规模要宏大得多。根据此次模拟，通过这种过程产生的行星质量大多在木星级别。如果统计整个圆盘内诞生行星的总数，竟然可以达到数千万颗。在银河系中心狂暴的黑洞周围，木星级别的沉重行星正在诞生，其数量甚至相当于韩国的人口总数。
这样诞生的初期行星会进一步扫除周围残留的小尘埃和砾石，这个过程被称为“卵石吸积”（Pebble accretion）。随着天体生长，引力变强，就能捕捉到更多的物质。通过这种生长，行星在约1000年到1000万年间质量可翻倍。在普通原始行星盘中，这通常需要数百万年，但在活动星系核周围的圆盘中，由于材料极为充沛，根据条件的不同，最快仅需1000年就能让行星迅速增重。
正是在这里，黑洞周围与普通恒星周围出现了重要区别。在普通恒星周围，行星无法无限生长。随着行星生长，会逐渐“清扫”周围的圆盘，导致圆盘出现空隙，砾石无法再靠近，生长受限。因此，普通恒星周围的行星在达到一定质量后，存在一个无法继续增长的上限，即“卵石隔离质量”（Pebble Isolation Mass）。
然而，黑洞周围的材料实在太过充沛，几乎取之不尽。由于周围到处都是材料，行星不会停止生长，而是不断变重，甚至超过了氢核聚变所需的起始质量。行星与恒星的界限就此模糊。可以说，虽然起初只是由尘埃颗粒、砾石和岩石聚拢而成，但由于无法停止生长，最终会一直演变成为真正的恒星。在黑洞周围，行星演化成恒星是完全可能的。
从这些天体的化学成分来看更是奇特。天文学所说的“尘埃”实际上与普通泥土不同，指的是由硅、氧、铁、镁等比氢和氦更重的元素组成的固体颗粒。而在黑洞周围刚诞生的天体，实际上可以看作是仅由这些重元素构成的团块。重元素比例实际上达到了100%！
在距离黑洞3光年以内的部分区域，甚至可能产生质量等同于木星，但并非气态行星，而是整体由岩石和金属组成的、极为沉重的固体块。在稍远一些、30光年之外的区域，则可能诞生从一开始就超过氢核聚变起始质量的纯岩石质天体。令人惊叹的是，这些巨大的团块质量虽与恒星相当，却不是由氢组成的等离子体团，而是几乎完全由硅酸盐和金属构成的巨大金属块。或许，它们更接近电影里的“死星”。
那么，它们到底是什么模样呢？中心部分可能会因为极度压缩而进入类似中子星或白矮星的简并状态。表面可能会因为铝-26等放射性同位素释放热量，将整个岩石表面融化。这样一来，表面可能会覆盖着遍布整个行星的岩浆海洋，部分蒸发的岩石所逸出的气体则可能在行星表面形成稀薄的大气层。天文学家将这些可能徘徊在黑洞周围的奇特天体称为“简并巨型岩浆球”。
那么，我们真的能通过观测确认宇宙中是否存在这种奇特天体吗？目前还没有好的办法。与绕着普通恒星旋转的行星不同，寻找徘徊在强大黑洞周围的行星并不容易。活动星系核本身就位于银河系之外极其遥远的距离，且由于其亮度与能量远超行星，想要直接观测其周围隐藏的小行星碎片实际上是不可能的。我们可以期待行星经过黑洞周围小型X射线源前方时，X射线亮度减弱的某种“凌日”（transit）现象。虽然此前有一些关于黑洞周围行星候选者的研究，但目前尚未有正式确定的案例。
但从物理条件来看，黑洞或许正是宇宙中持续不断地、最狂热地制造最多数量行星的地方。电影《星际穿越》中主角造访的外星行星，也是一种徘徊在黑洞旁、吸收黑洞吸积盘光芒来维持温度的奇特环境。
我们过去对于“行星”的认知或许陷入了过于陈旧的固定观念。像绕着太阳转的地球一样，拥有中心恒星并进行公转的行星，从整个宇宙的角度来看，反而是极少数的情况。宇宙中存在着大量不绕恒星旋转、独自在宇宙空间中漂流的“流浪行星”。甚至在银河系中心的超大质量黑洞周围，可能正源源不断地涌现出更新、更奇特的金属块行星。如果仅仅以数量多寡来衡量，或许像我们这样绕着恒星转的行星，才是更稀有、更罕见的奇异世界。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae6f0b
作者池雄培（Ji Ung-bae）是谁？热爱猫咪与宇宙。儿时看了《银河铁道999》后，萌生了想要传播宇宙之美的梦想。目前在世宗大学自由专业学部担任助理教授，从事讲座、写作等多种科学传播活动。著有《关于天文学家的无用性》、《我们生而为天文学家》、《仰望宇宙时产生的奇怪问题》等书，并翻译了《我是如何毁灭冥王星的》、《量子人生》、《UFO》等作品。