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第176章 黑洞一（第1页）

做完《人类登月》，李水旺开始做视频《黑洞》：

黑洞是宇宙中最神秘且迷人的天体之一，它们是大质量恆星演化后的残骸，引力极强，连光都无法从中逃逸。儘管黑洞常被描绘成毁灭星球的“刽子手”，但近期的科学推测表明，在特定条件下，黑洞或许能成为孕育生命的宇宙摇篮。实际上，在“时间尽头的文明”系列內容中，我们曾设想黑洞可能是宇宙末期后生物生命的最后避难所。但在如今的宇宙时代，让我们试想一颗围绕“黑太阳”运行的行星——这颗行星在黑洞的引力与辐射环抱中繁荣存在，在那里，时间流逝速率异於常態，能量来源並非星光，而是源自黑洞自身极端的物理过程。这样的星球是否真的可能存在？在事件视界永恆的阴影之下，生命又会呈现出怎样的形態？

我们或许会问，这类行星是否普遍存在？答案令人惊讶——確实可能存在。仅在我们的银河系中，这类行星的数量就可能多达数千颗，甚至数百万颗。

据估算，银河系中恆星数量介於1000亿到4000亿颗之间。具体数量取决於我们对“恆星”的定义，以及如何界定银河系的边界。这些恆星中，绝大多数比太阳亮度更低、质量更小，因此它们的寿命也远长於太阳。事实上，这些较小质量的恆星几乎都尚未走到生命尽头，也就无从成为恆星残骸。

並非所有恆星死亡后都会形成黑洞，实际上，能形成黑洞的恆星少之又少。在银河系中所有已死亡的恆星里，约有100亿颗被认为演化成了红巨星。这些红巨星最终会在行星状星云中拋射掉约一半的质量，剩余的核心则坍缩成超高密度的白矮星。白矮星的质量通常约为其母星原始质量的一半，却被压缩到与地球大小相当的体积。

大多数白矮星源自质量大於太阳的恆星，因为质量较小的恆星寿命更长。因此，截至目前，只有那些质量与太阳相近或略小的古老恆星，才有足够的时间完成其生命周期。与之相反，质量大到足以以超新星爆发形式终结生命的恆星，寿命则要短得多。儘管这类恆星在所有已存在的恆星中占比不足1%，但它们的演化归宿却备受关注。

在这些超新星前身星中，寿命最长的是质量约为太阳8倍的恆星，它们会在1亿年內燃尽消亡。这一寿命还不到太阳预计100亿年寿命的1%，也只是当前宇宙年龄的一小部分。而像o型星和b型星这样的大质量恆星，寿命可能仅有几百万年，甚至更短。

並非所有b型星都会发生超新星爆发，因为它们的质量最低仅略高於太阳的2倍。而且，隨著恆星质量的增加，超新星爆发事件的发生概率反而会逐渐降低。这类大质量恆星本身就较为罕见，即便走向死亡，多数也会形成中子星，而非黑洞。

据估算，银河系中可能存在多达10亿颗中子星，但实际数量或许更接近这一数字的一半。与它们的母星相比，中子星的亮度要低得多，並且会隨著时间的推移逐渐冷却。不过，即便亮度不断降低，作为恆星残骸，中子星的寿命仍远长於其母星短暂而炽热的生命。

o型超巨星是质量最大且最为罕见的恆星，它们最终都会以超新星爆发的形式终结，其中质量更大的o型超巨星死亡后，留下的可能是黑洞而非中子星。这些黑洞的存在时间会远超其母星——恆星本身或许仅能存在100万年，而它们留下的黑洞残骸，相对而言却几乎是永恆的，其寿命可长达10的35次方年（百万亿亿亿亿年）。

通过吸收邻近的恆星、气体云甚至其他黑洞，一些黑洞的质量会不断增长，最终可能达到最小黑洞（质量仅为太阳几倍）质量的数百倍、数千倍乃至数百万倍。黑洞的寿命与其质量的三次方成正比：质量为太阳10倍的黑洞，寿命会是太阳质量黑洞的1000倍；质量为太阳100万倍的黑洞，寿命则会是太阳质量黑洞的10的12次方倍（万亿亿倍）。

若史蒂芬?霍金的理论正確，终有一天，这些黑洞会释放出被称为“霍金辐射”的微光。在黑洞蒸发的过程中，围绕其存在的生命或许能依靠这种辐射存活。但这一遥远的未来並非我们今日关注的重点。

据估算，我们的银河系中可能存在多达1亿个黑洞，而在可观测宇宙中，黑洞的数量更是高达千万亿个。此外，根据一些理论，宇宙中可能存在原始黑洞——这些黑洞是宇宙诞生初期（即宇宙尚处於新生阶段）遗留下来的小型黑洞，数量可能颇为庞大。

有理论认为，每一个新黑洞形成时，都可能在其另一侧创造出一个新的宇宙。在这个新宇宙中，或许会像我们的宇宙一样，孕育出生命。若该理论成立，那就意味著黑洞“宇宙毁灭者”的名声实在名不副实，事实上，它们或许是新宇宙的“孵化器”，正如我们所处的宇宙可能也是这样诞生的。

当然，在宇宙走向尽头时，这些黑洞以及孕育它们的超新星，正是构成生命所需物质的重要来源。

中等质量黑洞（介於恆星级黑洞与超大质量黑洞之间）更为罕见，而超大质量黑洞则更为稀少。当设想行星围绕不同类型黑洞运行的场景时，每种黑洞都有其独特的考量因素。因此，今天我们將探討六种不同的场景：

1。一颗普通黑洞，周围有一颗行星围绕其运行

2。一颗普通黑洞，伴有一颗伴星（双星系统），且有一颗行星围绕该双星系统运行

3。一颗黑洞，伴有一颗已死亡的伴星（如白矮星或中子星）

4。一对双黑洞，周围有一颗行星围绕其中一个黑洞或两颗黑洞运行

5。一颗中等质量黑洞，周围有一颗行星围绕其运行

6。一颗超大质量黑洞，周围有一颗行星围绕其运行

在每种场景下，我们都会考虑两种可能性：一颗类地行星，以及一个生命存在於地表之下的地下世界。

试想这样一个世界：它沐浴在黑洞散发的昏暗而诡异的光芒中，生命在此挑战极限，文明在宇宙的极端环境边缘艰难存续。正如我们今日所探討的，这类行星或许是宇宙中最早孕育生命的场所之一。但如果这些文明的形態不仅受环境影响，还与其自身的物理尺寸相关呢？

儘管这些“死亡恆星”（黑洞）最广为人知的特徵是能捕获包括光在內的一切物质，但它们仍有可能为围绕其运行的行星提供维持生命所需的能量条件。

你可能听过“事件视界”和“吸积盘”这类术语。有趣的是，吸积盘是物质最终能进入黑洞的少数途径之一——儘管黑洞素有“吞噬一切”的名声，但事实並非完全如此。

虽然黑洞引力极强，但由於其大部分质量集中在极小的区域內，其引力实际上比形成它的原始恆星要弱。当物体向黑洞坠落时，会在引力作用下获得极高的速度。然而，一位技术嫻熟的宇宙飞船驾驶员完全可以避开被黑洞捕获的命运：通过將黑洞的引力与飞船的推进力相结合，並利用弹弓效应，驾驶员可以藉助黑洞的引力井將飞船加速到更高的速度，或从星际航行速度减速，最终稳定地进入围绕黑洞的遥远轨道。

关键在於，在黑洞周围进行这类引力操控，效果比在宇宙中任何其他地方都要好。即便一艘宇宙飞船燃料耗尽，在向黑洞坠落的过程中，只要及时开启气闸释放少量气体以获得微弱推力，理论上仍能成功逃逸。我从未在任何书籍或影视剧中看到过这样的设定，所以你完全可以借鑑这个想法並加以运用。

从这个角度来说，黑洞是安全的，至少比任何行星或恆星都要安全，而且也正因如此，黑洞具有极高的利用价值。在我们银河系中发现的任何一个黑洞，无论其附近是否存在宜居行星，都有可能成为未来宇宙活动的重要枢纽。黑洞周边区域將成为建造太空棲息地的绝佳选址，进而成为银河系中最具价值的“地產”之一。

即便普通物质靠近黑洞，也很少会立即坠入其中。相反，大部分物质的轨道会像经过其他大质量天体一样发生弯曲。一部分物质会通过宇宙中常见的引力作用被捕获到轨道上。隨著时间的推移，这些物质会不断积聚並相互碰撞，最终形成一个旋转的吸积盘——而非简单的球形碎片云（在球形碎片云中，每个粒子都有各自独特的轨道）。

吸积盘中的粒子相互碰撞时，其轨道会逐渐衰减，或与新吸入的物质轨道相交，进而慢慢向黑洞中心螺旋坠落。与行星或恆星不同（碎片落到行星或恆星表面后便会停止运动），黑洞极小的体积意味著物质在不断靠近它的过程中会获得巨大的能量。在到达事件视界之前，这些物质的速度会被加速到接近光速。粒子之间的剧烈碰撞產生极强的摩擦力，使吸积盘温度升高到极端水平，进而释放出辐射。

这种辐射中虽包含部分可见光，但大部分属於x射线。而x射线对生命而言远不如可见光友好，这使得在黑洞附近行星的地下或水下存在生命的可能性更高——因为这些环境能为生物体阻挡有害的x射线辐射。

你可能会疑惑，行星为何会出现在黑洞附近？毕竟黑洞的前身恆星死亡时会发生超新星爆发。这是一个很好的切入点，因为科幻作品往往低估了大型天体在承受剧烈爆炸时的抗损毁能力。就像一枚大型氢弹即便能造成严重破坏，也无法將一座城市夷为平地、留下巨大弹坑一样，超新星爆发通常也无法摧毁较大的行星。

超新星爆发可能会剥离行星的大气层、水分以及大部分地壳，但对於遥远的气態巨行星来说，其核心很可能得以保留。当然，非科技文明无法在这样的爆炸中存活，但在这类恆星系统中，原本就不太可能存在生命。以o型星为例，它们的寿命太短，不足以让行星形成並冷却——o型星的寿命通常只有几百万年，而可能形成黑洞的o型星，其寿命往往还处於这个范围的下限。

即便有生命能在围绕这类恆星（亮度可能高达太阳的100万倍）的行星上形成，当恆星演化到红巨星阶段时，这些生命也会被彻底摧毁。因此，在黑洞附近，原本就不存在在当地诞生的行星。

但行星是可以迁移的。这颗失去大气层和地壳的气態巨行星內核，或是一颗流浪行星，完全有可能进入围绕黑洞的稳定轨道。此外，行星也可能由黑洞周围残留的碎片形成。更不用说，某个先进文明或许会来到这里，建造一颗行星——无论是改造后的岩石行星，还是更典型的太空棲息地，比如多个连接在一起的“奥尼尔圆筒”（一种太空殖民站设计）。

那么，黑洞周围的宜居带范围有多大呢？首先需要说明的是，“宜居带”这个术语在黑洞场景下的含义略有误导性。通常，宜居带指的是类地行星能够维持表面液態水和大气层的区域。

然而，正在吸积物质的黑洞主要释放x射线，而非可见光——这对於我们所知的生命形式而言並非理想环境。儘管如此，足够厚的大气层仍能保护地表生命，水也能吸收x射线並將其转化为热量。此外，x射线使水离子化时，还会產生自由电子和羥基自由基，这或许能为生命提供替代常规光合作用的生化能量来源。这是一个有趣的观点，我们之后可能会深入探討。

在这样的环境中，大气层仍有可能存在。x射线与氧气、氮气相互作用，会產生臭氧、一氧化氮等化合物——这与地球上闪电產生的副產物类似。因为闪电会向地球大气层释放x射线，这些x射线隨后会被吸收並重新以可见光的形式释放。因此，在黑洞周围的环境中，也可能產生可见的光晕。

同样可以想像，如果生命在陆地上演化，它们可能会发展出保护性的適应特徵，比如厚实的身体组织或富含金属的外壳，以抵御x射线。实际上，这些生物体或许还能吸收x射线，並將其以磷光的形式重新释放。