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如果太阳中心有颗黑洞咋办 天文学家真的在认真研究

如果太阳中心有颗黑洞咋办 天文学家真的在认真研究

首先声明:这并不是一个痴人说梦的想法,也不是某个科幻电影的场景,而是天文学家们在认真研究的一个问题。这个问题的缘由要从很久很久以前说起。

01原初黑洞:宇宙“混沌初开”的产物

137 亿年前,在宇宙大爆炸开始的时候,初始的密度涨落是不均匀的,尤其在一些小尺度上,有可能存在很致密很热的区域,远远高于宇宙大尺度的平均值。这些高密度的区域可能会在宇宙的极早期(大爆炸后10的负24次方至10的负14次方秒)由于引力塌缩成黑洞,这种黑洞叫做原初黑洞(primordial black hole,见图 1)。原初黑洞的质量范围很广,从10的负5次方克至10的38次方克(10 万倍太阳质量)都有可能,取决于原初黑洞诞生的时间,诞生越早,质量越小。

对这种原初黑洞的研究,现在还停留在理论层面,我们在宇宙中还没有真正探测到它们,但是现在有一些观测证据暗示:原初黑洞可能存在,而且它们的存在能够解决很多天文学家面临的问题:

(1)暗物质:很多人认为宇宙中普遍存在的原初黑洞可能就是暗物质,至少贡献了一部分暗物质;

(2)引力波探测到了大量的双黑洞并合事件,其中一部分黑洞很难用恒星塌缩形成来解释,它们可能是原初黑洞;

(3)在宇宙早期发现了超大质量黑洞,比如最近詹姆斯·韦布望远镜发现了一颗4000万倍太阳质量的超大质量黑洞,年龄是大爆炸之后仅仅5 亿年,这时第一代恒星诞生不久,即使塌缩成黑洞也没有足够的时间合并成为这样的超大质量黑洞,有可能大质量原初黑洞才是种子,能够在这么短时间内合并成为超大质量黑洞。

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图 1,从大爆炸至今的宇宙演化图景。理论预言在大爆炸之初就会产生黑洞,这种黑洞叫做原初黑洞。(图片作者修改自https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2021/12/Did_black_holes_form_immediately_after_the_Big_Bang)

02 霍金星:中心“寄生”着一个黑洞的恒星

在 20 世纪70 年代,霍金和他的同事凯尔对原初黑洞开展了很多研究。其中,霍金在研究原初黑洞的量子效应时,提出了黑洞会产生辐射,后来被称为霍金辐射。质量小于 10的15次方克(大约相当于直径1 公里的小行星)的原初黑洞,会因为霍金辐射而慢慢蒸发,不会“存活”到今天。霍金甚至还提出一个想法,如果宇宙中充满了质量极小的黑洞,太阳这样的恒星可能吸纳了很多,最终在太阳中心合并成一个质量大约 10的17次方克的小黑洞,这是第一次提出在恒星的中心可能寄生着一个黑洞。为了纪念霍金的最初猜想,有人建议把这种天体叫做“霍金星”。

但是人们一想到黑洞,就觉得它是一个饕餮巨兽,宇宙万物都会被它撕裂吞噬。如果在恒星的中心有一颗黑洞,就会觉得它会不会被黑洞虐得体无完肤,已经不像一颗正常恒星了。但是霍金星中心是一颗迷你黑洞,相比于太阳的质量(10的33次方克)可以忽略不计,并不会给恒星带来灾难性的后果;甚至在恒星漫长的一生中,都很难察觉到这个迷你黑洞的存在。

03如果太阳是一颗霍金星

如果现在的太阳是一颗霍金星,它会有什么区别吗?显然内部结构会和正常恒星不一样,最显著的是会增加中心区域的对流,使得太阳内部存在一个更大的对流区,搅拌不同层的物质(可以想象煮沸腾的水),但是对于太阳的表面几乎没有什么影响。黑洞吸积产生的光远远小于太阳核聚变发出的光,我们根本观测不到太阳亮度的变化。黑洞的存在还会使得太阳核聚变速率改变,但是变化也非常非常小。在我们现在的观测水平上(包括日震和中微子观测),还无法区分正常的太阳和一个包含迷你黑洞(质量小于10的26次方克,大约相当于月球)的太阳。

如果太阳诞生时就是一颗霍金星,它的演化会和正常恒星一样吗?天文学家可以利用数值模拟试图回答这样的问题。随着黑洞吸积太阳的物质,黑洞也会逐渐增长,吸积产生的光度也会越来越高,当黑洞的质量增长到10的29次方克(大约相当于海王星) 时,黑洞吸积的光度超过核聚变的光度,这时太阳开始膨胀,整个太阳都会成为对流区。

此外,霍金星的核区也会膨胀,从而密度降低,甚至无法触发聚核变,这时使得整个太阳的能量都是由黑洞吸积主导的,这个时候,太阳就离开了主序期,叫做后主序期(post-main sequence),此时的太阳比正常红巨星温度更低颜色更红,太阳在随后的几亿到几十亿年里面都在后主序期,慢慢被黑洞消耗。

我们都知道,太阳到了晚年会急剧膨胀,在几亿年的时间内变成一颗红巨星,甚至会把地球吞没。但是后主序期的霍金星膨胀很小,最多膨胀到现在太阳直径的四、五倍,地球显然不会被后主序期的霍金星吞没,但还是会被烤焦,这时地球的温度可能高达 250 摄氏度。

如果黑洞的初始质量是10的21次方克(大约相当于直径100公里的小行星),那么太阳在100 多亿年里和正常恒星演化完全一样,只是在最后几亿年,黑洞质量超过10的29次方克时,进入后主序期,和正常红巨星阶段有明显差别。但是如果黑洞的初始质量增大十倍(10的22次方克),在 70 亿年的时候,太阳就进入后主序期。如果再增大 10 倍(10的23次方克),在 25 亿年时,太阳就会进入后主序期。后主序期之后,霍金星怎么演化,我们还不清楚,需要天文学家进一步研究。

04如何寻找霍金星

按照天文学家的估计,太阳捕获一颗迷你原初黑洞的概率很低很低。如果迷你原初黑洞普遍存在,在银河系的上千亿颗恒星中,还是有很大可能存在霍金星,那么我们该如何发现它们?

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图2 遍布恒星的银河系。(图片来自 ESA)

虽然它们的外表和亮度看起来和普通恒星差不多,但是由于内部对流更剧烈,尤其是到了后主序期,整个恒星都是完全对流的,会把中心的氦带到了表面,因此它表面的氦丰度要比普通恒星要高得多,但是太阳质量的霍金星温度比较低,氦的谱线很弱,很难通过光谱测量得到氦丰度。

但是星震测量可以,还可以得到恒星内部结构和振荡模式,由于完全对流,会使得霍金星的振荡模式和普通恒星不一样,因此星震研究是识别霍金星的重要手段。Gaia卫星已经观测了银河系中 10 亿颗恒星,未来释放的数据也可以用来研究星震,还有 Kepler和TESS卫星以及未来的 PLATO 和 Roman 卫星,都能够提供星震研究的数据,也许它们的星震数据结果中有霍金星存在的证据,正等待天文学家搜寻,让我们拭目以待!

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