如果太陽(yáng)中心有顆黑洞咋辦？天文學(xué)家真的在認(rèn)真研究！

首先聲明：這并不是一個(gè)癡人說(shuō)夢(mèng)的想法，也不是某個(gè)科幻電影的場(chǎng)景，而是天文學(xué)家們?cè)谡J(rèn)真研究的一個(gè)問題。這個(gè)問題的緣由要從很久很久以前說(shuō)起。

01 原初黑洞：宇宙“混沌初開”的產(chǎn)物

137 億年前，在宇宙大爆炸開始的時(shí)候，初始的密度漲落是不均勻的，尤其在一些小尺度上，有可能存在很致密很熱的區(qū)域，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于宇宙大尺度的平均值。這些高密度的區(qū)域可能會(huì)在宇宙的極早期（大爆炸后10的負(fù)24次方至10的負(fù)14次方秒）由于引力塌縮成黑洞，這種黑洞叫做原初黑洞（primordial black hole，見圖 1）。原初黑洞的質(zhì)量范圍很廣，從10的負(fù)5次方克至10的38次方克（10 萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量）都有可能，取決于原初黑洞誕生的時(shí)間，誕生越早，質(zhì)量越小。

對(duì)這種原初黑洞的研究，現(xiàn)在還停留在理論層面，我們?cè)谟钪嬷羞€沒有真正探測(cè)到它們，但是現(xiàn)在有一些觀測(cè)證據(jù)暗示：原初黑洞可能存在，而且它們的存在能夠解決很多天文學(xué)家面臨的問題：

（1）暗物質(zhì)：很多人認(rèn)為宇宙中普遍存在的原初黑洞可能就是暗物質(zhì)，至少貢獻(xiàn)了一部分暗物質(zhì)；

（2）引力波探測(cè)到了大量的雙黑洞并合事件，其中一部分黑洞很難用恒星塌縮形成來(lái)解釋，它們可能是原初黑洞；

（3）在宇宙早期發(fā)現(xiàn)了超大質(zhì)量黑洞，比如最近詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆4000萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，年齡是大爆炸之后僅僅5 億年，這時(shí)第一代恒星誕生不久，即使塌縮成黑洞也沒有足夠的時(shí)間合并成為這樣的超大質(zhì)量黑洞，有可能大質(zhì)量原初黑洞才是種子，能夠在這么短時(shí)間內(nèi)合并成為超大質(zhì)量黑洞。

圖 1，從大爆炸至今的宇宙演化圖景。理論預(yù)言在大爆炸之初就會(huì)產(chǎn)生黑洞，這種黑洞叫做原初黑洞。（圖片作者修改自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”著一個(gè)黑洞的恒星

在 20 世紀(jì)70 年代，霍金和他的同事凱爾對(duì)原初黑洞開展了很多研究。其中，霍金在研究原初黑洞的量子效應(yīng)時(shí)，提出了黑洞會(huì)產(chǎn)生輻射，后來(lái)被稱為霍金輻射。質(zhì)量小于 10的15次方克（大約相當(dāng)于直徑1 公里的小行星）的原初黑洞，會(huì)因?yàn)榛艚疠椛涠舭l(fā)，不會(huì)“存活”到今天?；艚鹕踔吝€提出一個(gè)想法，如果宇宙中充滿了質(zhì)量極小的黑洞，太陽(yáng)這樣的恒星可能吸納了很多，最終在太陽(yáng)中心合并成一個(gè)質(zhì)量大約 10的17次方克的小黑洞，這是第一次提出在恒星的中心可能寄生著一個(gè)黑洞。為了紀(jì)念霍金的最初猜想，有人建議把這種天體叫做“霍金星”。

但是人們一想到黑洞，就覺得它是一個(gè)饕餮巨獸，宇宙萬(wàn)物都會(huì)被它撕裂吞噬。如果在恒星的中心有一顆黑洞，就會(huì)覺得它會(huì)不會(huì)被黑洞虐得體無(wú)完膚，已經(jīng)不像一顆正常恒星了。但是霍金星中心是一顆迷你黑洞，相比于太陽(yáng)的質(zhì)量（10的33次方克）可以忽略不計(jì)，并不會(huì)給恒星帶來(lái)災(zāi)難性的后果；甚至在恒星漫長(zhǎng)的一生中，都很難察覺到這個(gè)迷你黑洞的存在。

03 如果太陽(yáng)是一顆霍金星

如果現(xiàn)在的太陽(yáng)是一顆霍金星，它會(huì)有什么區(qū)別嗎？顯然內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)和正常恒星不一樣，最顯著的是會(huì)增加中心區(qū)域的對(duì)流，使得太陽(yáng)內(nèi)部存在一個(gè)更大的對(duì)流區(qū)，攪拌不同層的物質(zhì)（可以想象煮沸騰的水），但是對(duì)于太陽(yáng)的表面幾乎沒有什么影響。黑洞吸積產(chǎn)生的光遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于太陽(yáng)核聚變發(fā)出的光，我們根本觀測(cè)不到太陽(yáng)亮度的變化。黑洞的存在還會(huì)使得太陽(yáng)核聚變速率改變，但是變化也非常非常小。在我們現(xiàn)在的觀測(cè)水平上（包括日震和中微子觀測(cè)），還無(wú)法區(qū)分正常的太陽(yáng)和一個(gè)包含迷你黑洞（質(zhì)量小于10的26次方克，大約相當(dāng)于月球）的太陽(yáng)。

如果太陽(yáng)誕生時(shí)就是一顆霍金星，它的演化會(huì)和正常恒星一樣嗎？天文學(xué)家可以利用數(shù)值模擬試圖回答這樣的問題。隨著黑洞吸積太陽(yáng)的物質(zhì)，黑洞也會(huì)逐漸增長(zhǎng)，吸積產(chǎn)生的光度也會(huì)越來(lái)越高，當(dāng)黑洞的質(zhì)量增長(zhǎng)到10的29次方克（大約相當(dāng)于海王星） 時(shí)，黑洞吸積的光度超過核聚變的光度，這時(shí)太陽(yáng)開始膨脹，整個(gè)太陽(yáng)都會(huì)成為對(duì)流區(qū)。

此外，霍金星的核區(qū)也會(huì)膨脹，從而密度降低，甚至無(wú)法觸發(fā)聚核變，這時(shí)使得整個(gè)太陽(yáng)的能量都是由黑洞吸積主導(dǎo)的，這個(gè)時(shí)候，太陽(yáng)就離開了主序期，叫做后主序期（post-main sequence），此時(shí)的太陽(yáng)比正常紅巨星溫度更低顏色更紅，太陽(yáng)在隨后的幾億到幾十億年里面都在后主序期，慢慢被黑洞消耗。

我們都知道，太陽(yáng)到了晚年會(huì)急劇膨脹，在幾億年的時(shí)間內(nèi)變成一顆紅巨星，甚至?xí)训厍蛲虥]。但是后主序期的霍金星膨脹很小，最多膨脹到現(xiàn)在太陽(yáng)直徑的四、五倍，地球顯然不會(huì)被后主序期的霍金星吞沒，但還是會(huì)被烤焦，這時(shí)地球的溫度可能高達(dá) 250 攝氏度。

如果黑洞的初始質(zhì)量是10的21次方克（大約相當(dāng)于直徑100公里的小行星），那么太陽(yáng)在100 多億年里和正常恒星演化完全一樣，只是在最后幾億年，黑洞質(zhì)量超過10的29次方克時(shí)，進(jìn)入后主序期，和正常紅巨星階段有明顯差別。但是如果黑洞的初始質(zhì)量增大十倍（10的22次方克），在 70 億年的時(shí)候，太陽(yáng)就進(jìn)入后主序期。如果再增大 10 倍（10的23次方克），在 25 億年時(shí)，太陽(yáng)就會(huì)進(jìn)入后主序期。后主序期之后，霍金星怎么演化，我們還不清楚，需要天文學(xué)家進(jìn)一步研究。

04 如何尋找霍金星

按照天文學(xué)家的估計(jì)，太陽(yáng)捕獲一顆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，在銀河系的上千億顆恒星中，還是有很大可能存在霍金星，那么我們?cè)撊绾伟l(fā)現(xiàn)它們？

圖2 遍布恒星的銀河系。（圖片來(lái)自 ESA）

雖然它們的外表和亮度看起來(lái)和普通恒星差不多，但是由于內(nèi)部對(duì)流更劇烈，尤其是到了后主序期，整個(gè)恒星都是完全對(duì)流的，會(huì)把中心的氦帶到了表面，因此它表面的氦豐度要比普通恒星要高得多，但是太陽(yáng)質(zhì)量的霍金星溫度比較低，氦的譜線很弱，很難通過光譜測(cè)量得到氦豐度。

但是星震測(cè)量可以，還可以得到恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和振蕩模式，由于完全對(duì)流，會(huì)使得霍金星的振蕩模式和普通恒星不一樣，因此星震研究是識(shí)別霍金星的重要手段。Gaia衛(wèi)星已經(jīng)觀測(cè)了銀河系中 10 億顆恒星，未來(lái)釋放的數(shù)據(jù)也可以用來(lái)研究星震，還有 Kepler和TESS衛(wèi)星以及未來(lái)的 PLATO 和 Roman 衛(wèi)星，都能夠提供星震研究的數(shù)據(jù)，也許它們的星震數(shù)據(jù)結(jié)果中有霍金星存在的證據(jù)，正等待天文學(xué)家搜尋，讓我們拭目以待！

參考資料：

https://arxiv.org/pdf/2312.07647.pdf

https://arxiv.org/abs/2312.06782

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1971MNRAS.152...75H/abstract

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad0e76

作者：閆震 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員

出品：科普中國(guó)

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