“从现代天体物理学的发展可明显地看出这样一种倾向，即向不习惯的、出乎意料的、甚至仿佛是不可能的东西发展。” 作为生活在行星上的智慧生物，人类一直以来对围绕其他恒星绕转的行星都有着浓厚兴趣，并进行着观测和研究，多年来有着上千行星系统得到证实。太阳系以外行星是天文研究中最热点和最前沿的的研究领域，位于智利北部阿塔卡沙漠高原上的阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列（ALMA）在持续的观测中拍摄到了HL Tauri周围的的气体和尘埃盘的观测图像——其附近的尘埃分布呈现一系列的清晰环状图像，这和行星形成理论所预约的景象十分
图1：ALMA观测HL Tauri的Band 6和7的尘埃连续谱图像 [ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)]
对于常见的围绕恒星运转的行星系统，目前能被广泛接受的星云假说认为，首先是气体和尘埃在自引力的作用下塌缩形成恒星之后，尘埃和气体会在新生恒星周围的原行星盘中冷却，而尘埃会凝结聚集成为更大的颗粒，在碰撞和压缩中形成类似于小行星物体——行星子（planetesimal），而行星子之间相互碰撞形成更大尺寸的行星胚胎，最终经过不同的物理过程形成了不同的行星——或是类似木星的气体巨行星，或是类似于地球的岩石类行星。
图2：哈勃望远镜拍摄的猎户座星云四个年轻恒星周围原行星盘的图像
来源：https://www.britannica.com/science/accretion-disk
形成不同的行星一个关键分歧在于，木星这样的气态巨行星只能在原行星盘消散之前形成，在这段时间内行星才能吸积大量其中的氢氦气体。如果行星子在原行星盘存在期间快速增长为十几个地球质量的行星核，达到快速吸积气体的临界质量，那么这样的行星子将会迅速成长为类似于土星或者木星的气态巨行星。值得一提的是，恒星周围原行星盘的雪线（snowline）和行星的形成及其种类有着密切关系。在雪线以内，由于温度较高，水是以气体状态存在的，且内部区域的固体物质主要由难熔的硅酸盐物质构成，岩石和金属颗粒在金属凝固先以外雪线以内聚集，通过碰撞粘合在一起形成1-10 km大小、形态不规则的行星子。在引力作用下，这些行星子最终汇集形成类地行星。而在雪线以外，水蒸气会凝结成冰，水是以固态冰的状态存在的，且冰块提供了原行星盘外部区域最丰富的固体物质，有机会形成较强大的行星子和行星，而较大行星的强大引力，能够束缚吸积周围的氢氦气体，形成气态巨行星。
图3：类地行星与类木行星形成过程的差异[Universe(8th Edition), W. H. Freeman]
随着离恒星的距离增大，水（H2O、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化碳（CO）等气体依次冻结，附着在星盘中的尘埃上。这些尘埃表面的外壳增加了粘性，使尘埃免于因相互碰撞而粉碎，显然，这样的效果加速了行星的形成。每一种不同的雪线还都可能与特定种类行星的形成有关：在与太阳类似的恒星周围，H2O雪线可能对应木星的轨道，而CO雪线则可能对应海王星的轨道。CO固体的转变也可能标志着像冥王星这样的矮星，以及像彗星那样的小型冰体形成的起点。
图4：由ALMA拍摄的处于爆发中的猎户座V883，其H2O雪线被推离恒星使其能被ALMA观测到，图中黑环线为H2O雪线。来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Cieza.
但近日，日本天体物理学家Keiichi Wada及其团队提出了并非由恒星原行星盘产生行星的可能——在星系中心超大质量黑洞周围的大量尘埃物质中可能孕育出黑洞行星，团队将之称为“Blanet（Black Hole Planet）”。
图5：活动星系核的原理图及核周盘
来源：Wada, K., Tsukamoto, Y., & Kokubo, E. 2019, ApJ, 886, 107 (Paper I)
宇宙中存在不同的黑洞系统，包括活动星系核、低光度星系核和X射线双星；根据Wada团队的模型，生命周期较短（≦108yr），光度相对较低的活动星系核周围一般会出现“Blanet”。超大质量黑洞一般位于星系的中心，通过吸积物质向星系提供能量——吸积是一种致密中心天体通过引力作用捕获周围介质的高效率过程，被吸积的物质由于带有初始角动量而围绕中心黑洞旋转形成吸积盘。除吸积盘外，黑洞周围还存在着多个物质漩涡，这样的漩涡实际上与原行星盘十分相似，在星系中心黑洞周围也存在着大量气体与尘埃，且这些物质可以比原行星盘多数十亿倍，因此考虑行星能被孕育在其中也十分合理。在黑洞周围的气体盘中，黑洞中心一定距离外的温度可以足够低到出现雪线，使一些水变成冰，而冰的形成能够让更多气体和尘埃凝结，是形成行星的关键条件。通过计算发现，对于质量大约为百万个太阳质量的星系中心黑洞，在离黑洞约2至3秒差距（约7到10光年）的位置，就足以让尘埃和水等气体凝结，并形成几十到几千地球质量的行星，被称为“黑洞行星”（Blanet）。
图片来源：https://www.sciencemag.org/news/2020/02/could-habitable-planet-orbit-black-hole
Wada团队在研究黑洞周围雪线外的尘埃时直接带入了原行星盘中行星形成的模型，将尘埃颗粒的演化过程分为四个阶段进行计算。随后团队对模型进行了修正，引入尘埃径移，并得到了与第一次计算相差甚远的结果。他们根据模型总结，生命周期较短（≦108yr），光度相对较低的活动星系核周围一般会出现blanet。Wada团队计算得到最可能形成的黑洞行星质量大约为地球质量的几十到几百倍，甚至有可能达到行星质量的上限；在默认两种行星平均内部密度相似条件下，黑洞行星的半径最大可达到地球半径的十倍。虽然星系中心超大质量黑洞周围也可以形成行星，但也需要指出这两类行星还是具有差异的。星系中心黑洞辐射主要是X射线波段，太阳辐射主要是在光学波段，黑洞行星无法获得较好的日照。团队还研究了黑洞行星能否获得大气层的问题，通过计算，他们指出，在吸积环境下黑洞行星很难捕获大质量的气态表层，超大质量黑洞周围存在许多高能天文活动，这些高能X射线辐射或紫外辐射可以将行星表面的大气电离并吹走。尽管有上述差异，但研究人员认为这两种行星的形成过程是相似的。
既然它们的“生命历程”与地球如此相似，那么我们很难不思考：这些处于最危险之处的行星之上是怎样一副“光景”呢？在临近黑洞的辐射下是否也能生存着智慧生命？生命起源是一个重大科学问题，生命存在需要水以液态的方式存在，除此之外黑洞行星还需要考虑其他的因素：超大质量黑洞周围区域经常发生高能天文事件，如黑洞活动产生的高能射线、超新星爆发、某一距离内的区域行星及恒星可能被潮汐瓦解等，这些事件都可能对黑洞行星生命的发展历程造成毁灭性的打击。在这种条件下，形成行星易，孕育生命十分艰难。
关于黑洞行星（Blanet）的一切还是初步探究与计算，由于距离遥远，即使对于银河系这样的超大质量黑洞周围行星，直接探测估计还存在巨大困难。但“成功的可能性难以预料，如果我们永远不去探索，可能性就是0”，或许在不久的未来，黑洞——这一现代天文学的魔主的神秘面纱终将被揭开。
参考文献
[1] Physics; Investigators from University of Nevada Have Reported New Data on Physics (A Quantitative Assessment of Communicating Extra-terrestrial Intelligent Civilizations In the Galaxy and the Case of Frb-like Signals). 2020,
[2] 季江徽.环绕恒星的原行星盘:行星的“诞生摇篮”[J].科学通报,2019,64(23):2369-2373.
[3] 张宇. 雪线在原行星盘中的演化[D].吉林大学,2015.
[4] Wada, K., Tsukamoto, Y., & Kokubo, E. 2019, ApJ, 886, 107 (Paper I)
[5] Keiichi Wada, Yusuke Tsukamoto, Eiichiro Kokubo, Formation of “Blanet” from Dust Grains around the Supermassive Black Holes in Galaxies, 2020. arXiv: 2007.15198
作者简介：
薛涵瑞，2020级硕士生，研究方向为潮汐瓦解事件和引力波。
版权声明：原创论文，注明出处可转载 。
编校：雷卫华 许文龙
文章编号：华中大天文200904A
