太阳中嵌入了一个黑洞吗？没有，但是这篇文章会告诉你为什么科学家们会这么问

“我觉得暗物质候选者们都有点狂野。”

（图解：一副艺术想象图片，展示了大黑洞周围的气体中的两个小黑洞。黑洞能以同样的方式被等离子球吞噬从而嵌入到太阳中吗？图源：NASA/Caltech/R. Hurt (IPAC)）

就在2023年末，星震学家Matt Caplan宣布发表一篇新论文，这篇论文顶着一个十分古怪的标题：“太阳中嵌入了一个黑洞吗？”我向他问这个问题的简短答案，然后，正如你预期的那样，他说：“大概率没有。”但是事情远没有那么简单。

这篇论文现在在arXiv网站（译者注：康奈尔大学持有的一个收集论文预印本的网站）上可以查看，尽管这个新研究还没有经过同行评议，但它和发表在《天体物理期刊》（The Astrophysical Journal）里的一篇论文有着相同的奇怪的问题，它们一同翘首盼望则会这个问题能通向一个令人震惊的答案。

有关这些问题的观点像是诱饵一样，全都是为了把你卷入一场关于暗物质的难以捉摸的本质的艰难探索之旅中，按说这是我们所处时代中最令人困惑的外太空之谜。这种物质，和它同样令人费解的搭档——暗物质强强联手，在整个宇宙中占比超过95%。然而，它们依旧隐匿于人类的视野中。在过去的数年中，科学家们曾提出过许多有关暗宇宙（dark universe）的可能性解释，有“奇特的全新的原子”说，也有推测我们的数学根本就是错误的。但是他们没有取得任何进展。

最终，包括Caplan在内的一群科学家认为，黑洞极有可能不是像我们所想的那样由粒子构成，而是由大量的原子大小的黑洞组成，这些黑洞是宇宙形成初期的产物，每一个这样的小黑洞都和我们太阳系中的一个小行星一样重。Caplan是伊利诺伊州立大学物理学助理教授，他在接受Space网站的采访时说：“我觉得暗物质候选者们都有点狂野。关于它们的猜想良莠不齐，其中原始黑洞也被认真对待，我甚至会说我认为它们很受欢迎。”

但是Caplan同时指出，想要将这些假说转变为事实，科学家们还必须真的去找到一个小型的古老空隙，这些空隙能将我们带入新的“日中黑洞”的对话中。Caplan与他的合著者说在他们的论文中，这些极小的黑洞中的一部分可能已经被正在形成的恒星中部的尘埃云捕获。有可能，这些黑洞最终就会字面意义上寄住于那些最终闪烁的等离子的海洋中；也有可能，它们还在那里。

所以，“没有”，说的是我们的恒星太阳中心可能没有黑洞，但是对于漂流在浩瀚宇宙中的其他恒星，可能真的有黑洞楔入它们的心脏。

【故事开始于一通电话】

在新冠疫情期间，天文学研究毫无疑问遇到了大量的阻碍，进而导致了不少延迟与推后，但同时也由许多的创新发现。

Caplan说：“我和Earl Bellinger，一位星震学家是朋友。那天我们像往常一样打了一通关于恒星的研讨电话。然后他就发表了这番有点即兴的开玩笑般脱口而出的言论。他当时大概是这么说的：‘我总是在想，要是能在我们的这些模型的中心放一个黑洞看看会发生什么，一定会很有意思。’”

但当Bellinger用“但是我们没有理由这么做”来结束这一番发言时，Caplan纠正他说：“不不不，事实上，你提出的是一种值得一试的暗物质候选者。”

Caplan说他早已在考虑原子大小的原始黑洞理论的太阳系测试，尤其是因为，要是这些理论上的现象真实存在的话，它们的质量将会很小，并且很可能将会有大量黑洞在那里快速移动。你可能会想，这些黑洞中的一些可能会在任意特定的时间经过我们所处的宇宙的一隅，那么事实就是，Caplan早已写了一篇关于“如果一个黑洞撞入月球，甚至地球时会发生什么”的论文。

（图源：hdwpro。）

不过，Caplan说他心知肚明如果太阳要捕获一个黑洞将是件多么疯狂

的事情。况且，他认为一个原子大小的黑洞要想撞入整个银河中的任何一颗恒星的概率都是很小的。Caplan解释说：“当星系或这个环境的质量越大，所有东西都会运动地更快；更强的引力意味着物体更大的移动速度。”

这就意味着，在像银河系这样一个众所周知质量特大，含有许多暗物质的环境中，暗物质会以极大的速度被拖曳着运动。因此，如果暗物质是由前面所提到的迷你黑洞构成的，那么它们将会齐心协力地快速移动。这样就会使得它们不易被物体捕获。然而，在其他质量较小的环境，例如矮星系或者球状星团中，暗物质的平均移动速度就会相应地大大减小。

（图解：暗物质地图。图源：spaceref。）

Caplan说“你可能需要足够幸运才能观测到少量暗物质，或者说在这种情况下是一个原始黑洞，被恒星形成云捕获，并且与之建立引力上的联系，最终随着演化的进行，沉入恒星的内核中。”而这正是科学家们将要去搜寻的东西——可能为上述“黑洞进入恒星”理论提供证据的矮星系中的恒星。

Caplan和Bellinger把它们称作“霍金恒星”，因为斯蒂芬·霍金曾写过一篇关于原始黑洞的原创性论文。令人惊讶的是，霍金曾推测，在最开始的那一秒，早期宇宙可能一度十分稠密与杂乱，以至于产生一大堆这样怪异的物体。此外，关于这个新理论最重要的一点，霍金指出，这些黑洞几乎能够拥有任何不同的质量。

霍金甚至提出，一个小行星质量的黑洞能被恒星捕获，并且被从内部吞噬。Caplan解释道，“因为霍金在他的原创论文中多少提到了这个假说，人们在进行有关的工作时又像忽视掉脚注一样，貌似没有怎么注意到他，所以我们决定以他的名字命名这颗恒星。”

最终，我们有了一份目前用于寻找到一个这种古老的针孔大小的空隙的蓝图。

（图解：图中的蓝色光晕展现了ZwCl0024+1652星系群中暗物质的位置。图源：ESA/Hubble）

【搜寻理论中的巨星】

尽管这看起来能拍摄大片《星际穿越》第二部（Interstellar: Part 2），但恒星中锚定一个黑洞并不像“时间折叠”这种令人叹为观止的异常现象，实际上，它看起来要平常的多。

Caplan说：“你的第一反应可能是一个恒星像电脑渲染特效里那样被黑洞狼吞虎咽下去，但当你用科学的眼光来看待这件事，并且通过合适的模型知道了黑洞是如何‘进食’，黑洞由于要产生辐射来反击周围的一切而多么亮时，你就会明白，想让黑洞吃掉恒星是要花数十亿年的。”因此，如果不是一颗失控的恒星，我们还能指望什么恒星来吃掉黑洞呢？好吧，简而言之，答案就如Caplan所说的，关键是找到“膨胀的，黯淡的红巨星（当然是在较小的星系中）。

“当一个黑洞明亮起来时，恒星就会进入一个奇怪的巨星阶段，这与基本的红巨星阶段截然不同，你在寻找它们时，它们就会显眼。”

【黑洞的盛宴与恒星的动力】

基本上来说，我们可以把任何尺寸的黑洞都解剖成三个主要部件：

第一个，奇点。它是黑洞正中央一个看不见点，所有的物质都被压缩在这里。它是黑洞个头小但质量大的原因。

第二个，事件视界。它像奇点周围的一个戒指，标示着我们宇宙和黑洞内部的一切事物的分界线。光不能穿过事件视界。这两者都十分神秘。

第三个，也是这个研究的关键，吸积盘。这是环绕着整个黑洞的一圈气体与尘埃。

另一方面，我们来看恒星聚变，这为恒星提供了动力。恒星内部发生固有的核聚变反应，它将较轻的氢原子转化为较重的氦原子，产生向外的推力来抵消引力产生的向内的拉力。恒星发出的光也是由此造成的，这一进程会一直持续到恒星生命的末尾，那时它成为红巨星。最终，核聚变反应停止，恒星的引力成为最后的赢家。在巨星中，下一步是发生超新星爆发，爆发后要么形成一个“常规大小”的黑洞，要么形成中子星。（中子星很致密，它本身就十分迷人，但这扯得有点远了。）

（图解：超新星。图源：见图右下角。）

话说回来，我们现在了解了红巨星，但如果内部栖居着一个黑洞的恒星到达了红巨星阶段，接下来又会发生什么呢？Caplan认为，一定会有一些有意思的事情发生。他说：“巨星阶段的恒星是吸积起来的，而不是聚变提供动力的，聚变实际上被切断了，它就会变成围绕着中心小小黑洞剧烈翻腾的膨胀的云状物，而在此阶段这小小黑洞的质量将与地球相近。”

他接着补充道：“如果一个黑洞足够小，足够轻，那么它生长得就会足够慢以至于这颗恒星能活过宇宙的年龄，而不发生什么变化。如果这个黑洞特别重，那么……嗯，大的黑洞有更大的事件视界。”

换句话说，那些大质量的黑洞吸积和生长得就会更快。因此科学家们相信，大号黑熊能在数十亿年内杀死它们寄生的恒星。至于为什么一颗吸积提供动力的红巨星会比平常的红巨星暗淡，答案很简单，就是聚变动力比吸积动力能带来更大的亮度。Caplan指出：“这就涉及到超微弱矮星系了。为什么这些矮星系这么微弱呢？为什么它们似乎是由很多暗物质组成的呢？”

然而，这不是说吸积动力就一无是处。证据表明，它的作用更加重要。这是因为一个原子大小的吸积而成的黑洞能够使一颗恒星的亮度增大到与聚变动力带来的最大亮度相近！

Caplan说：“Earl翻阅了一些调查文献，他发现里面有大约500颗恒星能够作为我们观测红巨星的目标。我们有几百位候选者，我么们希望在2024年能够通过星震学来对它们进行仔细研究。”

（图解：红巨星。图源：: NASA's Goddard Space Flight Center/Chris Smith (KBRwyle)）

好了，如果你想知道他们接下来关于带着中心的原子黑洞在宇宙中漫游的红巨星的尝试会取得怎样的结果，我考虑到了下面两件事。

其一，一般而言，前文所谓“暗物质能被天体捕获”的说法其实并不怎么具备争议。例如，一些科学家正利用位于南极的IceCube设备探测来自地球内部的暗物质信号。与此同时，对暗物质的搜寻其实真的就是海底捞月。

事实很可能就只是简单的，一大堆空隙点缀在宇宙中，或者要么卡在了恒星里。

Caplan也说：“如果这些黑洞不存在，我不会觉得惊讶；相反，如果它们真的存在，我也不会觉得惊奇。”

BY:Monisha Ravisetti

FY:Stella Zhang（张姝铃）

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