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。

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？

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！

参考资料：

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：闫震 中国科学院上海天文台研究员

出品：科普中国

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