居住在超大质量黑洞附近

当然,这会带来一些危险,但也可能很有趣!

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本文发表于《大众科学(大众科学)》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定代表《大众科学(大众科学)》的观点


自 20 世纪 90 年代以来,我们就知道行星存在于脉冲星周围,脉冲星是恒星剧烈爆炸后诞生的超高密度天体。因此,有理由假设行星也可能存在于黑洞周围,这或许会让许多人感到惊讶,黑洞对其环境的影响远弱于脉冲星。甚至生命也可能在其中一些行星上形成,因为地球上的生物已经适应了极端条件,包括沸腾的高温、冰冻的低温以及酸性、高盐甚至放射性环境。

宜居行星可能存在于大多数星系核心的超大质量黑洞附近。我们自己的星系,银河系,就拥有一个质量高达四百万个太阳的黑洞。它被称为 Sgr A*(Sgr 代表人马座),其最内层稳定圆形轨道 (ISCO) 的大小与水星绕太阳运行的轨道大致相同。

那么,在这样的行星上生活会是什么样子呢?


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在讨论居住在黑洞附近的许多健康危害之前,我们应该考虑其好处。如果文明在黑洞附近形成或迁移到黑洞附近,他们可以做什么来获得乐趣和利益?以下是想到的前 10 项活动

  • 通过将垃圾倾倒入黑洞周围的吸积盘中,将黑洞用作清洁能源的来源。高达 42% 的垃圾静止质量可以在最大旋转黑洞的 ISCO 处转化为辐射。

  • 将一些工程设备耦合到黑洞的自旋上,就像一个巨大的飞轮,可以从中获取自旋能量。

  • 乘坐光帆在接近光速的相对论性喷流上冲浪。

  • 通过前往黑洞视界附近的美容院来延长青春,在那里,由于引力红移,时间会过得更慢。

  • 观看整个宇宙的奇观,它被反射和扭曲成黑洞周围的引力透镜图像。

  • 在所谓的“光子层”建立一个游乐园,在那里人们可以享受相对论效应带来的乐趣,例如,通过直视前方,看到自己从黑洞周围的光环后面出现。

  • 利用太空旅行的新机会。例如,当银河系及其姊妹星系仙女座在数十亿年后合并时,它们中心的两个黑洞将配对成一个紧密的双星系统,这将充当引力弹弓,以高达光速的速度喷射恒星或行星,正如作者与 James Guillochon 合著的两篇论文中所述。旅行社可能会提供乘坐被喷射行星穿越整个宇宙的特殊旅程的票。

  • 将罪犯送入黑洞,作为以奇点处死刑为终极刑罚的监狱。黑洞的质量将决定囚犯的剩余寿命。他们的罪行越轻,黑洞的质量就越大,从而延长他们在穿过与黑洞视界相关的“监狱墙”后的剩余寿命。

  • 利用小物体绕黑洞运行产生的引力波进行通信。这种信号无法被任何已知形式的物质阻挡。

  • 通过为弦物理实验学家组织的旅行来测试量子引力的基本方面。

宇航员尝试执行这些活动的主要危险来自引力潮汐力。正如阿尔伯特·爱因斯坦在他的著名思想实验中指出的那样,身处自由落体的电梯或宇宙飞船中感觉就像完全没有重力一样。但是,头部和脚趾之间引力加速度的任何差异(衡量时空曲率的指标)都可能将您的身体撕裂。这种潮汐力会在恒星质量黑洞附近造成死亡威胁,但在超大质量黑洞(如 Sgr A*)周围更广阔的环境中,对人体没有威胁。

相应地,制造黑洞所需的物质密度与其时空曲率呈线性关系。低质量黑洞是通过大质量恒星核心坍缩形成的,其密度远大于原子核的密度。但是,要制造一个超大质量黑洞,它的密度要稀薄得多,只需用液态水填充木星轨道就足够了。虽然这个工程项目听起来很简单,但绝非易事,因为它需要大约 1 亿个太阳质量的水。而且,在倾倒水时产生的热量会烧毁任何相关设施。

事实上,吸积超大质量黑洞释放的热量对居住在星系中心的文明构成了生存威胁。在与 John Forbes 合著的一篇论文中,我们表明,宇宙中很大一部分行星的 атмосферы 很脆弱,会因在其生命中的某个时刻靠近活跃的星系核而被剥离,或者海洋被煮沸。

在人类历史上,我们首次拥有了这项技术,可以在背景发光气体的衬托下,为银河系中心和巨型椭圆星系 M87 中超大质量黑洞的轮廓成像。第一批此类图像计划于今年晚些时候发布。

在哈佛大学黑洞倡议组织(一个专注于黑洞研究的跨学科中心)2018 年会议的总结讲座中,我建议未来太空推进技术的进步可能允许我们组织一次前往附近黑洞的实地考察。这将为开展上述一些活动提供绝佳机会,甚至可能与任何可能已经在那里露营的其他文明的背包客交流量子引力的笔记。

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