[비즈한국] 人們通常認為黑洞是吞噬一切、毀滅一切的死亡領域。但如果告訴你，在黑洞周圍反而正在誕生新的行星，你相信嗎？令人驚訝的是，黑洞竟可能是孕育新行星的奇妙場所。甚至在一個超大質量黑洞周圍，可能會源源不斷地湧現出成千上萬，甚至是數千萬顆行星。
通常，行星當然是在恆星周圍誕生的。我們的太陽系也始於46億年前圍繞著初生太陽的塵埃與氣體圓盤。圓盤中的微小塵埃顆粒相互碰撞、結合，生長成更大的礫石和岩石。這些微小的星子相互碰撞、合併，最終演變成了像地球和木星這樣的行星。
然而，在超大質量黑洞周圍也會形成類似的圓盤。當銀河系中心的黑洞吞噬周圍的氣體和塵埃時，物質並不會直接掉進黑洞，而是會在黑洞周圍高速旋轉，形成扁平且巨大的吸積盤。特別是黑洞貪婪吞噬物質的銀河系中心，被稱為活動星系核（AGN）。這種黑洞周圍的圓盤內部非常熾熱且明亮。氣體噴射出強大的X射線和紫外線，而絕大多數塵埃因為無法承受高溫而蒸發殆盡。顯然，在這樣的環境下無法形成行星。
但當我們移動到距離中心黑洞足夠遠的圓盤外側時，情況就會完全不同。在距離超大質量黑洞約3至30光年的地方，存在一個溫度大幅下降的區域。這裡有氣體和塵埃像昏暗厚重的甜甜圈一樣環繞著黑洞，因此被稱為“塵埃環面”（Dust Torus）。中心黑洞及其吸積盤內側洩露出的強大輻射能量被厚厚的環面阻擋。在環面之外，溫度降至足夠低，矽酸鹽、金屬和冰得以留存。而就在這裡，行星可以誕生。
太陽周圍的原始行星盤通常維持在幾百個天文單位（AU）的規模。但活動星系核的塵埃環面卻延展至數光年甚至數十光年。僅從尺寸上簡單對比，它就比普通的行星盤大上數千倍。當然，其中的材料總量也極其驚人。最近，天文學家確認了在這裡極有可能湧現出數量驚人的行星。
假設一個質量為太陽1000萬到10億倍的巨大超大質量黑洞，並建立了一個磁場支撐圓盤的模型。事實上，磁場也是形成行星的重要因素。如果圓盤內的氣體和塵埃太重，圓盤可能會直接整體崩塌，而不是一個一個地形成行星。那樣反而難以製造出行星。但如果強磁場能夠維持並支撐圓盤，就能阻止圓盤整體崩塌，圓盤內的塵埃顆粒得以留存並生長為獨立的行星碎片。
此次模擬中確認的黑洞周邊環境演化過程非常有趣。最初，只有1微米左右的小塵埃顆粒在漂浮，這大約只有人類頭髮直徑的幾十分之一到幾百分之一。這些微小顆粒相互碰撞，生長到毫米或釐米級別。根據銀河系中心黑洞的質量以及距離黑洞的遠近，顆粒增大所需的時間從數千年到數億年不等。
然而，當塵埃開始變大後，可能會出現新的問題。由於壓力作用，圓盤中的氣體物質速度逐漸變慢。塵埃顆粒在與氣體相互作用的過程中持續移動。在此過程中，塵埃堆積較多的地方會產生更強的引力，吸引更多的塵埃。就像道路上的車輛減速導致後方持續擁堵一樣，塵埃顆粒也會開始在圓盤的特定區域集中。這樣積累的塵埃會聚整合細長的帶狀結構，形成一個“細絲”。
這一個細絲中蘊含的純塵埃總量驚人。其質量可達木星的數萬至數百萬倍，甚至可以與太陽質量相當。如此巨量的塵埃粒子在圓盤中央形成了一條細長的帶子，但這些細絲並不會立即聚整合一顆行星。
當密度高到一定程度後，細絲也無法抵禦自身的引力而發生坍縮，隨之分裂成無數更小的團塊。這與太陽系中小行星和微星的形成過程相似，但規模要宏大得多。根據此次模擬，透過這種過程產生的行星質量大多在木星級別。如果統計整個圓盤內誕生行星的總數，竟然可以達到數千萬顆。在銀河系中心狂暴的黑洞周圍，木星級別的沉重行星正在誕生，其數量甚至相當於韓國的人口總數。
這樣誕生的初期行星會進一步掃除周圍殘留的小塵埃和礫石，這個過程被稱為“卵石吸積”（Pebble accretion）。隨著天體生長，引力變強，就能捕捉到更多的物質。透過這種生長，行星在約1000年到1000萬年間質量可翻倍。在普通原始行星盤中，這通常需要數百萬年，但在活動星系核周圍的圓盤中，由於材料極為充沛，根據條件的不同，最快僅需1000年就能讓行星迅速增重。
正是在這裡，黑洞周圍與普通恆星周圍出現了重要區別。在普通恆星周圍，行星無法無限生長。隨著行星生長，會逐漸“清掃”周圍的圓盤，導致圓盤出現空隙，礫石無法再靠近，生長受限。因此，普通恆星周圍的行星在達到一定質量後，存在一個無法繼續增長的上限，即“卵石隔離質量”（Pebble Isolation Mass）。
然而，黑洞周圍的材料實在太過充沛，幾乎取之不盡。由於周圍到處都是材料，行星不會停止生長，而是不斷變重，甚至超過了氫核聚變所需的起始質量。行星與恆星的界限就此模糊。可以說，雖然起初只是由塵埃顆粒、礫石和岩石聚攏而成，但由於無法停止生長，最終會一直演變成為真正的恆星。在黑洞周圍，行星演化成恆星是完全可能的。
從這些天體的化學成分來看更是奇特。天文學所說的“塵埃”實際上與普通泥土不同，指的是由矽、氧、鐵、鎂等比氫和氦更重的元素組成的固體顆粒。而在黑洞周圍剛誕生的天體，實際上可以看作是僅由這些重元素構成的團塊。重元素比例實際上達到了100%！
在距離黑洞3光年以內的部分割槽域，甚至可能產生質量等同於木星，但並非氣態行星，而是整體由岩石和金屬組成的、極為沉重的固體塊。在稍遠一些、30光年之外的區域，則可能誕生從一開始就超過氫核聚變起始質量的純岩石質天體。令人驚歎的是，這些巨大的團塊質量雖與恆星相當，卻不是由氫組成的等離子體團，而是幾乎完全由矽酸鹽和金屬構成的巨大金屬塊。或許，它們更接近電影裡的“死星”。
那麼，它們到底是什麼模樣呢？中心部分可能會因為極度壓縮而進入類似中子星或白矮星的簡併狀態。表面可能會因為鋁-26等放射性同位素釋放熱量，將整個岩石表面融化。這樣一來，表面可能會覆蓋著遍佈整個行星的岩漿海洋，部分蒸發的岩石所逸出的氣體則可能在行星表面形成稀薄的大氣層。天文學家將這些可能徘徊在黑洞周圍的奇特天體稱為“簡併巨型岩漿球”。
那麼，我們真的能透過觀測確認宇宙中是否存在這種奇特天體嗎？目前還沒有好的辦法。與繞著普通恆星旋轉的行星不同，尋找徘徊在強大黑洞周圍的行星並不容易。活動星系核本身就位於銀河系之外極其遙遠的距離，且由於其亮度與能量遠超行星，想要直接觀測其周圍隱藏的小行星碎片實際上是不可能的。我們可以期待行星經過黑洞周圍小型X射線源前方時，X射線亮度減弱的某種“凌日”（transit）現象。雖然此前有一些關於黑洞周圍行星候選者的研究，但目前尚未有正式確定的案例。
但從物理條件來看，黑洞或許正是宇宙中持續不斷地、最狂熱地製造最多數量行星的地方。電影《星際穿越》中主角造訪的外星行星，也是一種徘徊在黑洞旁、吸收黑洞吸積盤光芒來維持溫度的奇特環境。
我們過去對於“行星”的認知或許陷入了過於陳舊的固定觀念。像繞著太陽轉的地球一樣，擁有中心恆星並進行公轉的行星，從整個宇宙的角度來看，反而是極少數的情況。宇宙中存在著大量不繞恆星旋轉、獨自在宇宙空間中漂流的“流浪行星”。甚至在銀河系中心的超大質量黑洞周圍，可能正源源不斷地湧現出更新、更奇特的金屬塊行星。如果僅僅以數量多寡來衡量，或許像我們這樣繞著恆星轉的行星，才是更稀有、更罕見的奇異世界。
參考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae6f0b
作者池雄培（Ji Ung-bae）是誰？熱愛貓咪與宇宙。兒時看了《銀河鐵道999》後，萌生了想要傳播宇宙之美的夢想。目前在世宗大學自由專業學部擔任助理教授，從事講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《關於天文學家的無用性》、《我們生而為天文學家》、《仰望宇宙時產生的奇怪問題》等書，並翻譯了《我是如何毀滅冥王星的》、《量子人生》、《UFO》等作品。