如果地球不幸撞上黑洞，或者僅僅是與黑洞靠得太近，都將會(huì)迎來(lái)不可挽回的毀滅。這是一個(gè)極其不可能發(fā)生的情況，但在宇宙的天文學(xué)時(shí)間尺度下，任何情況都有可能發(fā)生。
什么？黑洞撞擊地球？發(fā)生這種事情的可能性很渺茫，但后果卻是毀滅性的。那么，如果黑洞真的撞向地球，會(huì)發(fā)生什么呢？我們又應(yīng)當(dāng)如何避免這種情況的發(fā)生？
在宇宙的某個(gè)地方，潛在的末日災(zāi)難可能正等待著我們。雖然夜空中的恒星看起來(lái)都固定不變，就如我們的太陽(yáng)一樣，但它們其實(shí)都同樣受到引力的支配，使我們保持在圍繞銀河系中心的軌道上。每一個(gè)恒星系統(tǒng)都相對(duì)太陽(yáng)在運(yùn)動(dòng)，并且周期性地 —— 大約每百萬(wàn)年有若干次 —— 會(huì)有某個(gè)天體危險(xiǎn)地靠近太陽(yáng)系。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，在太陽(yáng)系邊緣的奧爾特云中，一些天體可能就會(huì)受到擾動(dòng)，導(dǎo)致一大波彗星的出現(xiàn)。
7 萬(wàn)年前，一個(gè)名為舒爾茨星的聯(lián)星系統(tǒng)穿過(guò)了太陽(yáng)系的奧爾特云，該系統(tǒng)正處在其核心氫聚變點(diǎn)燃的邊緣。然而，與圖中不同的是，當(dāng)時(shí)它并不可能被人類(lèi)的肉眼看到。如今，舒爾茨星距離地球約 20 光年。據(jù)目前所知，沒(méi)有任何黑洞比它更靠近地球。
這是最可能出現(xiàn)的情況，但更糟糕的結(jié)果也可能隨之而來(lái)。恒星可能會(huì)穿過(guò)太陽(yáng)系，影響各大行星的軌道。其他天體，如黑洞、中子星、白矮星和流浪行星等，也可能出現(xiàn)同樣的情況，像玩宇宙臺(tái)球游戲一樣撞擊周?chē)奈矬w。在最壞的情況下，我們甚至可以想象一個(gè)黑洞撞擊地球的場(chǎng)景。在任何時(shí)候，這種事情發(fā)生的幾率可能都極其渺茫，但在天文學(xué)的時(shí)間尺度下，宇宙有無(wú)數(shù)的機(jī)會(huì)制造這樣的災(zāi)難。
銀河系及其周?chē)炜罩泻阈敲芏鹊氖疽鈭D，可以明顯看到銀河系和大、小麥哲倫星云。更細(xì)看的話(huà)，還可以看到球狀星團(tuán)杜鵑座 47（NGC 104）位于小麥哲倫星云左側(cè)，武仙座球狀星團(tuán)（NGC 6205）位于銀河系核心左側(cè)略偏上的位置，略偏下的則是 NGC 7078?？偟膩?lái)說(shuō)，銀河系在其圓盤(pán)范圍內(nèi)包含了大約 2000 至 4000 億顆恒星。
地球被黑洞撞上的幾率有多大？
讓我們先從一些樂(lè)觀的事情開(kāi)始：盡管宇宙中存在大量的黑洞，包括我們所處的銀河系中心也存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，但黑洞撞擊地球的幾率是非常小的。據(jù)估計(jì)，銀河系中約有 4000 億顆恒星，盡管單個(gè)恒星本身的體積很大，但與之相比，恒星之間的距離更加巨大，甚至與恒星系統(tǒng)的大小相比也是如此。
像太陽(yáng)這樣的恒星，其直徑約為 140 萬(wàn)公里，而地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的距離約為 1.5 億公里（這一距離被定義為一個(gè)天文單位，簡(jiǎn)稱(chēng) A.U。），約為太陽(yáng)直徑的 100 倍。在海王星軌道之外的柯伊伯帶，距離太陽(yáng)約 40 至 50 個(gè)天文單位；至于奧爾特云，又比柯伊伯帶更加遙遠(yuǎn)，距離太陽(yáng)最遠(yuǎn)至 10 萬(wàn)天文單位（約 2 光年）。
這張圖顯示了銀河系中的恒星可能經(jīng)過(guò)太陽(yáng)一定距離內(nèi)的概率。這是一個(gè)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，y 軸是距離，x 軸是事件發(fā)生所需的時(shí)間。
相比之下，我們與最近的恒星比鄰星的距離略大于 4.2 光年。光年是用來(lái)描述恒星之間距離的常用單位。利用歐洲空間局的蓋亞（Gaia）空間望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家對(duì)銀河系中恒星的數(shù)量及其在銀河系中的分布情況有了相當(dāng)詳細(xì)的了解，我們也由此得知了許多關(guān)于鄰近宇宙的奇妙事實(shí)，例如：
（1）鄰近宇宙中的恒星相對(duì)于我們的運(yùn)動(dòng)速度通常為 20 千米 / 秒，約為我們繞銀河系中心運(yùn)行速度的 10%；
（2）在我們與銀河系中心的距離上，幾乎所有的恒星都以橢圓軌道運(yùn)行，而且這些橢圓軌道非常接近圓形；
（3）此外，幾乎所有的恒星都在離我們較遠(yuǎn)的星系盤(pán)上運(yùn)行；在中央凸出部分或較大的球狀銀暈中，卻很少有恒星；
（4）這些恒星中，有大約一半屬于多恒星系統(tǒng)，另一半則與我們的太陽(yáng)系類(lèi)似：只存在一顆孤零零的恒星。
大質(zhì)量恒星整個(gè)生命周期的示意圖。最終在核心的核燃料耗盡時(shí)，會(huì)形成 II 型超新星。核聚變的最后階段是典型的硅燃燒，在超新星爆發(fā)前的短暫時(shí)間內(nèi)，核內(nèi)會(huì)產(chǎn)生鐵和類(lèi)鐵元素。如果恒星的內(nèi)核質(zhì)量足夠大，內(nèi)核坍縮時(shí)就會(huì)產(chǎn)生黑洞。
做一下數(shù)學(xué)計(jì)算，我們就能得出一顆恒星到達(dá)太陽(yáng)一定距離內(nèi)的平均時(shí)間。結(jié)果很有趣，但并不可怕。我們的太陽(yáng)系已經(jīng)存在了大約 45 億年，每隔幾十萬(wàn)年，就會(huì)有一顆足以影響奧爾特云的恒星靠近太陽(yáng)系。最近一顆這樣的恒星是舒爾茨星，在大約 7 萬(wàn)年前近距離掠過(guò)太陽(yáng)系，穿過(guò)了奧爾特云。
然而，任何恒星都不太可能靠近到足以使太陽(yáng)系中其他大型天體偏離軌道的程度。在地球存在的整個(gè)歷史中，我們與另一顆恒星最接近的距離預(yù)計(jì)大約是 500 天文單位，或者說(shuō)相當(dāng)于太陽(yáng)到冥王星距離的 10 倍。對(duì)于整個(gè)太陽(yáng)系的歷史，則
（1）出現(xiàn)一顆足以擾動(dòng)柯伊伯帶的恒星的幾率約為 1%；
（2）出現(xiàn)一顆足以擾動(dòng)木星或土星的恒星的幾率約為 0.01%；
（3）出現(xiàn)一顆足夠靠近地球，能對(duì)地球產(chǎn)生引力干擾的恒星的幾率約為 0.0001%，即百萬(wàn)分之一；
（4）出現(xiàn)一顆與地球發(fā)生碰撞的恒星的幾率只有 0.000001%，即 1 億分之一。
黑洞的質(zhì)量范圍，包括通過(guò)引力波探測(cè)到的合并事件（藍(lán)色）和 X 射線(xiàn)觀測(cè)（洋紅色）所獲得的結(jié)果。絕大多數(shù)黑洞都處于 20 倍太陽(yáng)質(zhì)量以上的范圍，但在低于 5 倍太陽(yáng)質(zhì)量的區(qū)間，黑洞的數(shù)量就很少。
考慮到太陽(yáng)系中的行星，以及柯伊伯帶似乎從誕生之初 —— 約 45 億年前 —— 到現(xiàn)在都沒(méi)有受到這樣的擾動(dòng)，這些概率值似乎還算可信。對(duì)地球最大的威脅來(lái)自一顆路過(guò)的恒星，它穿過(guò)了奧爾特云，受到擾動(dòng)的彗星 —— 潛在的行星殺手 —— 估計(jì)需要 200 萬(wàn)年時(shí)間才會(huì)進(jìn)入內(nèi)太陽(yáng)系。不過(guò)，幾乎可以肯定的是，在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，銀河系中天體的“引力之舞”最終將導(dǎo)致恒星系統(tǒng)中大多數(shù)行星被拋射出去。
這張潮汐破壞事件（tidal disruption event，簡(jiǎn)稱(chēng) TDE）的示意圖顯示了一個(gè)巨大天體的命運(yùn)，由于太接近一個(gè)黑洞，它在一維空間中被拉伸和壓縮，進(jìn)而被撕碎，其物質(zhì)被加速，然后被交替吞噬和噴射出來(lái)。
那么，黑洞呢？
必須強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，所有關(guān)于恒星的討論并不只是為了好玩，而是在為我們討論黑洞奠定必要的基礎(chǔ)。當(dāng)然，黑洞很難被探測(cè)到，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)發(fā)光，但它們背后的物理原理以及它們?cè)谛窍抵械倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律和恒星是一樣的。原因很簡(jiǎn)單：宇宙中，尤其是銀河系中我們所在的部分，幾乎每一個(gè)黑洞都是誕生于一顆原本已經(jīng)存在的恒星。
當(dāng)然，確實(shí)存在一些超大質(zhì)量黑洞，但它們大多只存在于星系的中心，距離我們有幾萬(wàn)光年遠(yuǎn)。另一方面，對(duì)于原始黑洞，目前還沒(méi)有任何相關(guān)的觀測(cè)證據(jù)。也許原始黑洞的數(shù)量更多，質(zhì)量更小，但在理論上有一些嚴(yán)重的問(wèn)題阻礙了它們的存在。
在一個(gè)黑洞與地球相撞的過(guò)程中，我們不會(huì)從黑洞本身得到任何預(yù)警信號(hào)，但它會(huì)扭曲來(lái)自背景天體的光，進(jìn)而向我們揭示它的存在。
因此，宇宙中兩種最常見(jiàn)的黑洞形成方式便是，要么有一顆足夠巨大的恒星，其核心坍縮形成一個(gè)黑洞；要么由兩顆中子星碰撞、合并，達(dá)到某些質(zhì)量閾值，進(jìn)而形成一個(gè)黑洞。
在理解了這一點(diǎn)之后，我們就可以估算出黑洞相對(duì)于恒星的數(shù)量。在所有曾經(jīng)形成的恒星中，大約 0.12% 的恒星，或者說(shuō)大約 800 顆恒星中，會(huì)有一顆質(zhì)量足夠大的恒星，當(dāng)它結(jié)束生命周期時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)恒星質(zhì)量黑洞：質(zhì)量大于 3 倍太陽(yáng)質(zhì)量，但至多不超過(guò)幾百倍太陽(yáng)質(zhì)量。有些人認(rèn)為，中子星的合并 —— 已被激光干涉引力波探測(cè)器如 LIGO 和 Virgo 探測(cè)到 —— 可能也會(huì)產(chǎn)生與大質(zhì)量恒星同樣多的黑洞，盡管處于較低的質(zhì)量范圍。
這意味著，以最樂(lè)觀的情況估計(jì)，現(xiàn)在有大約 10 億個(gè)黑洞在銀河系中運(yùn)行，相比之下，恒星的數(shù)量約為 4000 億顆。這是一個(gè)令人難以置信的黑洞數(shù)量，但即使是在天文學(xué)的時(shí)間尺度下，地球與黑洞相互作用的幾率仍然是極低的。事實(shí)上，如果我們只考慮一個(gè)黑洞與地球碰撞的情況，概率是極小的：在地球歷史中約為 400 億分之一；相當(dāng)于每年 10^20 分之一，與連續(xù)三次贏得樂(lè)透大獎(jiǎng)的概率差不多。
當(dāng)一個(gè)微引力透鏡事件發(fā)生時(shí)，隨著中間質(zhì)量穿過(guò)或接近恒星的視線(xiàn)，來(lái)自背景恒星的光會(huì)被扭曲和放大。引力的作用使光和我們眼睛之間的空間發(fā)生了彎曲，從而產(chǎn)生一種特殊的信號(hào)，揭示行星、黑洞或其他大質(zhì)量物體的質(zhì)量和速度。
碰撞并不是唯一的威脅
當(dāng)然，黑洞并不需要與地球相撞才能構(gòu)成威脅。如果距離地球足夠近，黑洞就可以：
（1）通過(guò)引力作用破壞地球的軌道；
（2）把地球完全逐出太陽(yáng)系；
（3）甚至?xí)窭兑獯罄鏃l一樣，通過(guò)潮汐力將地球徹底粉碎。
這些都是需要提防的情況，但幸運(yùn)的是，黑洞必須足夠接近才會(huì)引起這些問(wèn)題。換句話(huà)說(shuō)，黑洞必須離地球足夠近，才能產(chǎn)生與太陽(yáng)相當(dāng)?shù)囊?。?qǐng)記住，引力隨著距離的平方而減小。即使一個(gè)黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的 100 倍 —— 比銀河系中 99% 的黑洞的質(zhì)量還要大 —— 也要在距離地球 10 個(gè)天文單位的范圍內(nèi)，才能在引力方面與太陽(yáng)媲美。這種情況的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更高一些，因?yàn)樵谔?yáng)系的歷史上，這種情況發(fā)生的幾率約為 4 億分之一，是被黑洞直接撞擊的幾率的 100 倍。其他兩種情況 —— 被拋射出去或“意大利面化”—— 的幾率，介于這兩個(gè)估計(jì)值之間。
我們能否知道危險(xiǎn)的來(lái)臨？
你可能會(huì)覺(jué)得，如果一顆恒星即將進(jìn)入太陽(yáng)系，給我們帶來(lái)重大的宇宙“改造”，那至少我們會(huì)提前發(fā)現(xiàn)它的到來(lái)。但是，有沒(méi)有辦法得到黑洞即將到來(lái)的警告呢？
答案是肯定的。黑洞或許不會(huì)發(fā)光，但它們的引力無(wú)疑和任何質(zhì)量相同的物體一樣強(qiáng)大。此外，由于黑洞不會(huì)像恒星一樣占據(jù)巨大的體積，而是坍縮成非常小的空間區(qū)域，隱藏在微小的事件視界之后，因此相對(duì)于我們的視角，黑洞會(huì)強(qiáng)烈地扭曲其背后物體所發(fā)出的光。這意味著我們可以有三種方法來(lái)探測(cè)離地球足夠近的黑洞：
（1）黑洞可能會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的引力透鏡效應(yīng)，在這種效應(yīng)下，同一視線(xiàn)附近的背景物體發(fā)出的光會(huì)以一種較易識(shí)別的方式彎曲、拉伸和扭曲；
（2）黑洞可能會(huì)導(dǎo)致較弱的引力透鏡效應(yīng)，在這種情況下，較遠(yuǎn)的背景物體的表面形狀會(huì)以一種自然不會(huì)發(fā)生的方式扭曲；
（3）黑洞可能會(huì)導(dǎo)致微引力透鏡效應(yīng)，即經(jīng)過(guò)的黑洞不會(huì)遮擋背景恒星，而是會(huì)放大其光線(xiàn)，并導(dǎo)致出現(xiàn)短暫但劇烈變亮的情況；可以說(shuō)，即使是看不見(jiàn)的物體，這也是一個(gè)很明顯的特征。
我們有什么辦法自救嗎？
在很大程度上，我們的存在本身就已經(jīng)是宇宙中非常難得一見(jiàn)的奇跡。生命在地球上的誕生和繁榮，幾乎可以算是中了宇宙的“頭彩”。那么，如果我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)黑洞正朝地球直沖而來(lái)，我們應(yīng)該怎么做呢？盡管概率很低，但這在天文學(xué)上是可能的，考慮到銀河系中有 4000 億顆恒星，意味著在地球存在的歷史中，有 4 億分之一的概率會(huì)有一個(gè)黑洞闖入太陽(yáng)系。
不幸的是，對(duì)于這種可能，唯一的選擇將是放棄并離開(kāi)地球。我們不能只移動(dòng)地球，而是必須移動(dòng)整個(gè)太陽(yáng)系才能避開(kāi)黑洞，而唯一能讓太陽(yáng)系進(jìn)行這般移動(dòng)的，只能是與另一個(gè)大質(zhì)量物體的引力相互作用。換句話(huà)說(shuō)，唯一能把我們從黑洞來(lái)襲中拯救出來(lái)的，就是我們一直在努力避免的情況：嚴(yán)重?cái)_亂太陽(yáng)系行星軌道的引力作用。如果黑洞真的要撞上地球，我們唯一明智的做法是要么放棄地球，要么聽(tīng)任自己與這顆擁有數(shù)十億年生命歷史的星球一起被黑洞吞噬。
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