可居住行星會圍繞超大質量黑洞運行嗎？

黑洞提供了大量的能源，可能為生命提供立足點。但是美國國家航空航天局的一位科學家已經確定，不管你在電影中看到什麼，附近的宜居條件是非常不可能的。

《星際穿越》對科幻迷來說有著特殊的意義。這部電影的執行製片人和科學顧問是基普·索恩(Kip Thorne)，他是一位諾貝爾獎得主，也是一位物理學家。索恩發誓說，影片中沒有任何東西會違反物理學定律，任何瘋狂的猜測都源於科學。

電影的前提是地球變得不適合居住，人類必須找到其他地方居住。幸運的是，天文學家們在土星附近發現了一個蟲洞，它就像一個隧道一樣穿過時空，到達一個遙遠的超大質量黑洞，這個黑洞被稱為巨型黑洞。

眾多行星繞著Gargantuan運行（Gargantuan是2014年上映的電影《星際穿越》中那顆巨型黑洞的名字）。因此，NASA派出了數個小組去分別調查這些行星，希望能找到一顆適合居住的行星。

關於這部電影的科學準確性、對黑洞的描述等等，已經有很多人寫過了，其中大部分都是溢美之詞。物理學家加來道雄(Michio Kaku)說，這是評判未來科幻電影的黃金標準。

但是有一個問題還有待解決，那就是一個適合居住的行星是否有可能圍繞一個超大質量黑洞運行？今天，我們得到了答案，這要感謝NASA戈達德太空飛行中心的傑里米·施尼特曼。

施尼特曼計算出在一個靠近超大質量黑洞的行星上是否存在適合生命的條件。結論令人驚訝。

第一次的一些背景知識。長期以來，天體生物學家一直在爭論類地生命存在的必要條件。人們普遍認為，液態水的存在是最基本的條件之一，這就對可居住行星的溫度設定了具體的限制。

施尼特曼的方法是，在一個環繞黑洞運行的行星上，什麼樣的能源可以產生這樣的溫度。這種能源必須與地球的完全不同。

地球的大氣溫度是對來自太陽的能量和地球外散能量平衡的結果，這是一種複雜的關係，催生了自成一體的氣候科學學科。

然而，如果沒有太陽，射入的光就會消失，隨之消失的將是地球上幾乎所有生命的能量。施尼特曼說：“如果沒有持續的熱量流動，海洋可能在幾天內就會結冰。”

但事實證明，對於一個圍繞超大質量黑洞運行的行星來說，還有許多其他的能源。最明顯的是，超大質量黑洞根本不是黑色的。施尼特曼說：“我們對黑洞的瞭解大多來自於觀察氣體吸積到黑洞上時產生的電磁輻射。所以用一個不斷膨脹的黑洞取代太陽，也許不會讓地球生命終結。”

但是超大質量黑洞並不僅僅是明亮的，而且它們是宇宙中最持久的輻射源，尤其是在紫外線輻射達到峰值的區域，它們被落入黑洞的熱吸積盤所包圍。

這樣一個星系盤的條件太極端，不足以支持液態水，但施尼特曼表示，如果把黑洞的吸積率想象成觀測值的極小一部分，就能讓它們更舒適。

結果是，任何在超大質量黑洞附近運行的行星都會在熱氣雲中運行。在電影中，行星在黑洞視界外的軌道上運行，施尼特曼計算出它們將被6000度的黑體輻射場包圍。幾乎不適合生命。

在更遠的地方，氣體會更冷。如果要達到室溫，行星的軌道距離則必須是黑洞引力半徑的100倍。

所以從這方面上看，液態水在這樣的星球上是可能存在的。生命是否會進化還很難說。施尼特曼說：“所有已知的生命形式都需要能量梯度才能生存，所以無處不在的黑體輻射背景可能對複雜的生命非常不利。”

影片中有一個小問題，即這顆行星的軌道顯然超出了吸積盤的範圍，施尼特曼表示，吸積盤在動態上是不穩定的。

一個更大的問題是，如果吸積率較低，星系盤的密度也會較低，使輻射更困難。如果沒有輻射，吸積盤的溫度會超過液態水的溫度。所以在這個論點的核心有一個悖論，最終使其失效。

然而，並不是所有的都無效了。還有另一種能量來源是宇宙微波背景

，即大爆炸的回聲。天文學家已經測量了這種輻射，它的溫度只有2.7 K（星際空間溫度），幾乎不足以維持液態水。

但這就是相對論魔力發揮作用的地方。正如在電影中顯而易見的那樣，時間對行星表面的觀察者來說變慢了，這就產生了藍移影響，使它變得更熱。行星離黑洞越近，這種效應就越大。

施尼特曼計算出，如果一顆行星的軌道剛好在引力半徑之外，那麼它就會受到來自宇宙微波背景的足夠熱量，從而達到這個目的。這就像是在0.2天文單位的距離上繞著一顆白矮星旋轉，這將為液態水提供足夠的能量，但也會使行星沐浴在危險水平的紫外線中。

然後是來自其他恆星的光。在地球上，夜空之所以是黑暗的，是因為我們處在銀河系中一個相對稀疏的臂部

。但超大質量黑洞通常位於星系中心，那裡的恆星密度明顯更高。因此，對於一顆圍繞銀河系中心的超大質量黑洞運行的行星來說，夜空的亮度將是地球的10萬倍。

這將提供一個重要的背景紫外線和x射線。施尼特曼想象了一個足夠先進的文明，可以建造一種“反向戴森球”來反映這種能量。他滿懷希望地說：“這將使我們能夠更接近超大質量黑洞的宿主，即使是在無法抵抗的背景紫外線或x射線輻射的情況下。”

然而，即使有了這樣一個防護盾，自然界無聲殺手的幽靈仍然存在：中微子。中微子與物質的相互作用不強。但當它們數量巨大時，就會產生重大影響。

一些科學家認為，地球上的大滅絕事件是由附近超新星的巨大中微子爆發引起的。一個超大質量的黑洞所產生的物質足以在任何星球上產生毀滅性影響。

然而，中微子可能導致地熱加熱。施尼特曼說：“與來自這種藍移電磁輻射的有害紫外線或x射線不同，中微子對行星核心的加熱可能會導致大量的生命形式，就像在地球深海噴口附近發現的那樣。”

隨著講起其他悲觀的理由，他的樂觀感覺很快就消失了。在黑洞附近，引力波會產生持續的破壞性振動。而暗物質，則提供了一個豐富的末日畫卷。

施尼特曼很謹慎，沒有完全排除適合居住的行星可能圍繞一個超大質量黑洞運行的可能性，至少沒有明確地排除這種可能性。

但其中隱含的信息很清楚——那裡沒有熱情好客的鄰居。如果宇宙中有任何適合人類居住的行星，那很可能是離超大質量黑洞最遠的地方。

星際迷們，請知曉！

參考文獻：

arxiv.org/abs/1910.00940 : Life on Miller’s Planet: The Habitable Zone Around Supermassive Black Holes