x射线很容易被吸收並重新以低能量光的形式释放,因此我们可以设想,黑洞周围的气体可能也在扮演类似的角色。如果吸积盘的外围区域吸收x射线,並將其重新以可见光的形式释放,那么这就能照亮行星可能运行的黄道面(吸积盘物质最密集的区域)。这一过程或许能提供微弱的散射光,足以维持地表生態系统,而非仅仅是特殊的极端环境生態系统。
有一种方法是製造一个光碟,其表面积大小需满足释放出与普通太阳光波长相近的能量。这可以通过人工建造和控制实现,不过在极少数情况下,也可能自然发生。
或者,如果採用人工方式,我们可以使用具有x射线萤光或闪烁特性的材料,比如碘化钠或稀有金属磷光体。当然,我们也可以设想这样一种自然场景:超新星爆发后残留的重元素形成了这种具有特殊特性的物质。
不过,这些物质並非白光光源。你可以在黑洞周围放置一个外壳,或者更简单地,布置一群由所选材料(如碘化钠)製成的微小球体。围绕黑洞运行的碘化钠会发出410纳米波长的蓝光,钨酸钙发出的光波长与x射线相近,而碘化銫则会发出绿光。此外,还有一些有机萤光材料也能吸收x射线並释放可见光。
我们甚至可以想像,有一种植物或生物体,其叶片的一面能吸收x射线,另一面则能释放可见光,以此吸引与其存在共生关係的其他生物。
毋庸置疑,黑洞周围宜居性面临的最大问题,是物质的突然涌入可能引发强烈的辐射脉衝。这些辐射脉衝的危害至少与太阳耀斑相当,甚至可能彻底摧毁行星的大气层。不过,在宇宙中眾多黑洞中,或许有一部分足够幸运,能在长期內保持稳定。
此外,有意在黑洞周围定居的文明,可以採取多种措施来保护自身免受辐射脉衝的威胁,甚至稳定黑洞的亮度。但黑洞能有多亮呢这就涉及到“爱丁顿极限”的概念。
爱丁顿极限通常用於描述恆星如何平衡两种力量:引力向內挤压核心,促使核聚变增强;而核聚变產生的额外热量则向外推挤恆星物质。这种平衡被称为流体静力学平衡,它使大多数恆星保持相对稳定的亮度。
这一概念同样適用於黑洞和类星体:黑洞吸收物质的速度是有限的,因为它释放的辐射会加热正在吸入的气体,並將气体向外推。一般来说,黑洞的亮度要么低於爱丁顿极限,要么亮度持续波动。但如果黑洞附近有大型气体云,就可能在很长一段时间內使黑洞的亮度维持在爱丁顿极限水平。
大致而言,黑洞的亮度与质量呈线性关係,不过这在很大程度上也取决於吸积盘的特性。牛津大学的加勒特?科特在网上有一个不错的演示视频,详细讲解了相关计算过程。
对於一个质量为1倍太阳质量的黑洞,其在爱丁顿极限下的亮度约为12.6x103?瓦。黑洞质量翻倍,亮度也会翻倍。这一亮度是太阳的3270万倍,甚至可能比形成它的原始恆星还要亮。
这意味著,该黑洞周围的宜居带范围將是太阳宜居带的5700倍,即5700个天文单位(au)。而且,由於自然形成的黑洞质量通常不低於3倍太阳质量,其亮度会是1倍太阳质量黑洞的3倍,宜居带范围也会延伸到10000个天文单位,或在7000至15000个天文单位之间的广阔区域。
这篇內容的標题灵感,来源於黑洞与恆星在尺寸上的巨大差异。一个通常只有几公里宽的黑洞,仅凭其微小的尺寸就难以被直接观测到,更不用说还有事件视界的存在。但对於一颗典型的恆星级黑洞来说,其吸积盘的宽度可达数十至数百公里;质量更大的黑洞,吸积盘规模会更为庞大。
如果你处於黄道平面上,就能观测到这个吸积盘。此时,黑洞在天空中可能呈现为一道细长的亮痕——这样的景象,你绝不会敢直视。如果你的轨道倾角较大,黑洞则可能呈现为椭圆形或带有黑暗中心的圆形。根据轨道倾角的不同,每年可能会有两次观测到这种形態的机会。不过,黑洞看起来並不会像《魔戒》中的“索伦之眼”——儘管这是我脑海中浮现的第一个形象。
除了《魔戒》这个参照,我还得提一句,在撰写这篇內容的整个过程中,我的脑海里时不时就会响起“声音园”乐队的歌曲《bckholesun》。我很好奇,有多少人和我一样会有这种联想
此外,最近上映的《沙丘》电影中,前往吉迪pri星球上单色哈克南家园的场景,也给了我创作灵感。让黑洞持续从某个天体获取物质的想法很有趣,尤其是当这个物质来源是一颗双星系统中的褐矮星伴星时。
这颗褐矮星或许能在黑洞前身恆星的红巨星阶段存活下来。在红巨星阶段,褐矮星的轨道会逐渐衰减;当恆星发生超新星爆发后,褐矮星可能会进入一个椭圆形轨道,在靠近黑洞时拋射出气流。
顺便提一句,“在红巨星內部运行”听起来可能很奇怪,但实际上,太阳的光球层密度已经比空气低得多,红巨星的密度则更低。行星和天体並不会被红巨星“吞噬”,而是会慢慢被灼烧。对於可能形成黑洞的超新星前身星来说,其红巨星阶段仅持续数千年(而非数百万年),而褐矮星凭藉自身的引力和巨大质量,足以在这样的环境中保持完整。
当黑洞从褐矮星的气流中获取物质时,其吸积盘会变亮。褐矮星的轨道周期可能为一年(地球年),这会使远处的行星经歷漫长的黑暗“冬季”和较为明亮的“夏季”——此时,褐矮星就像一颗昏暗的第二颗太阳,通过反射、吸收並重新释放包括黑洞辐射在內的能量来发光。
黑洞的能量利用效率远超恆星。相比之下,太阳在100亿年的寿命中,仅能將自身约10%的质量转化为能量,且转化效率仅为1%,同时亮度会隨时间逐渐增加。而黑洞在吞噬褐矮星时,能量转化效率可达20%至40%,释放的能量也远多於太阳。
如果这颗褐矮星的质量约为太阳的1/12,那么黑洞从这一颗褐矮星中释放的能量,就可能是太阳在其整个生命周期中释放能量的10倍。这种极高的能量效率意味著,即便一颗行星的轨道远在木星之外,也能在数十亿年的时间里接收到足以维持宜居环境的光和热。
不过,在这样的系统中,行星可能会受到强烈的太阳风影响,从而频繁出现剧烈的极光现象。要在这种环境中维持行星大气层並非易事,除非这颗行星具备更强的引力、强大的磁层、活跃的地质活动,或者理想情况下,三者兼具。
以上就是我们探討的第一种场景:一颗普通黑洞,周围有一颗行星围绕其运行,黑洞的物质来源要么是某个大型气態天体,要么是来自更广阔宇宙空间的稳定气流。