没有这颗黑洞生命或不复存在:我们的存在似白驹过隙

[ 录入者:zhangms | 时间:2017-07-22 10:46:28 | 作者:编译/谢懿 | 来源:新浪科技 | 浏览:1334次 ]

来源:环球科学微信公众号

银河系中心的黑洞不仅会吞噬周围的物质,还会向外辐射出能量,黑洞的活动程度与其所在的整个星系有莫大的关系。黑洞活动过多或过少,都会限制生命的出现。

恰巧,银河系占据了一个最佳的位置,黑洞的活动程度正好能够使恒星形成,并维持银河系的恒星族群处在一个恰当的状态。对于我们今天能在此时、此地出现,银河系中央黑洞功不可没。

撰文?凯莱布·沙夫(Caleb Scharf)

翻译?谢懿

在浩瀚的宇宙中,我们的存在犹如白驹过隙。人类的需求完全被宇宙所忽视,大自然以难以琢磨的方式,在空间和时间的尺度上施展着自己强大的威力。也许我们唯一能聊以慰籍的是,关于周围的世界,我们会提出无尽的问题,并不断追寻答案。问题之一便是,我们所处的这个特殊环境,与由恒星、星系以及黑洞所构成的宇宙画卷之间,到底存在怎样深刻的联系。

许多宇宙现象都能影响生命的存在,但有些影响会更明显一些,黑洞就是其中之一。宇宙中还没有其他天体可以如此高效地把物质转化成能量,也没有别的天体能像黑洞这样,使物质以接近光速的速率运行数万光年。另外,黑洞还能诱捕附近的物质,任何东西都无法幸免。它们是宇宙中具有终极竞争力的食客,会像一个“吃货”一样狼吞虎咽地进食,全然不顾细嚼慢咽。

落向黑洞的物质不会悄无声息地匿去。随着越来越接近视界(黑洞表面),物质会以极高的速度运动。如果黑洞本身也在自转,那么落入黑洞的物质还会以极高的速度做螺旋运动。这些物质与其他任何东西发生碰撞,巨大动能便会转化成原子和亚原子粒子的动能,释放出电磁辐射。在抵达视界前,这些数量巨大的粒子和光子可以逃离黑洞,向外喷涌而出。用一个粗略的比喻,便是浴缸排水带来的杂音。随着水流进入排水管,猛烈撞击空气中的分子,动能的一部分就会转化成声波。声波的运动速度比水快得多,可以从排水管中逃逸出来。对巨大的黑洞而言,在这样一个“消化”过程中所释放出的能量,足以对周围的星系产生广泛的影响。

物质被“喂”入超大质量黑洞的情形,就如同衣服在洗衣机中,会偶尔晃动,并发出声响一样,这个过程被称为“负载循环”。黑洞负载循环的大小代表了黑洞由吞食物质到恢复平静的转变速度。目前,位于银河系中央的超大质量黑洞正处于平静状态,但它也会随时间发生转变。天文学家推测,银河系中心黑洞的负载循环与银河系的整体状态之间存在关联。同时,它也为解释太阳系如何滋养生命,提供了有趣的线索。

负载循环

根据天文观测的结果,我们惊奇地发现,黑洞负载循环与其宿主星系的恒星组成有关。它与把物质掷入黑洞,开启黑洞的负载循环有着相同的动力学过程。这个过程可能会影响星系中恒星的种类,在负载循环巅峰时爆发的黑洞所释放出的能量,可以改变星系中恒星的组成成分。这些成分对于了解星系系统的特性至关重要。星系中的恒星可以是红色、黄色或蓝色的,蓝色的恒星通常质量最大,但寿命也最短,只需几百万年,就会燃烧殆尽。这就表明,如果你在夜空中看到了蓝色的恒星,那你就目睹了年轻恒星系统的景象和它正在经历的生老病死。

天文学家发现,如果把来自一个星系的所有光线都加到一起,整体的颜色会倾向于红色或蓝色。红色的星系多是椭圆星系,而蓝色的则是旋涡星系。介于两者之间的则被认为是过渡型星系——在这种星系中,如果蓝色的年轻恒星死去,没有产生新的恒星,那么星系也许会变得越来越红。根据颜色的混合逻辑,天文学家将这一中间地带称为“绿谷”(green valley)。

在过去的几十亿年里,正是最大的“绿谷”旋涡星系承载着最强的黑洞负载循环。在现代宇宙中,“绿谷”旋涡星系内的巨型黑洞极有规律地生长并爆发。这些星系中,恒星的总质量相当于1000亿个太阳质量。比起其他旋涡星系,如果你有幸一瞥上述任何一个“绿谷”旋涡星系,你会有更大的几率看到黑洞进食的迹象。在这些星系中,大约有1/10拥有一个正在吞食物质的黑洞——用宇宙学的术语来讲,它们的吞食过程会不断地开启和停止。

人们还不清楚“绿谷”星系和中央黑洞之间的物理关联。“绿谷”星系是一个过渡区,绝大多数其他星系不是比它红,就是比它蓝。这类星系中的系统正处于转变过程中,它甚至可能会终止内部恒星的形成。我们知道,其他环境(例如星系团和年轻的大型星系)中的超大质量黑洞也可以产生这一效果。原因可能是,这些黑洞的行为正在使星系朝着“绿谷星系”转变;也可能是,使星系发生转变的环境,正在向黑洞“喂食”物质。

随着对周围其他旋涡星系的研究,我们发现了一些证据:那些释放能量最多的黑洞,可以在数千光年的尺度上影响它的宿主星系。在物质落入黑洞的过程中,会发出强烈的紫外线和X射线,驱使热气体向外运动,扫过星系中恒星的形成区域,就像热浪横扫一个国家一样。虽然人们还不清楚,这些热气体是如何影响恒星及其内部元素的形成,但它的确对此起了很大的作用。

同样,如此强劲的能量,还会影响星系中更广泛的区域。例如,一个被大型星系俘获的矮星系,在它下落的过程中,会搅动起周围的物质,并把它们送入黑洞 (呈漏斗状),就像煽动火堆的余烬,使之复燃一样。矮星系所产生的引力和压强效应,会抑制或促使这个大型星系的其他地方形成恒星。这些现象或多或少能解释,为什么一个超大质量黑洞的活动会和周围恒星的年龄 (亦即颜色)大致相关。

更引人注目的是,天文学家近来发现,银河系也是一个大型“绿谷”星系。那就是说,银河系中的超大质量黑洞应该正处于一个快速负载循环的过程中,这着实让人吃惊,因为潜伏在银河系中心的这个黑洞看上去并不非常活跃——事实上,是因为它对银心(银河系核心)周围恒星的轨道所产生的潜在影响,才让人确信它的存在。通过测量,我们发现,它的质量只有太阳的400万倍,只能算是个相对较大的黑洞。然而,根据我们对宇宙的研究,它应该是非常活跃的。

套用上世纪美国最伟大的演员之一亨弗莱·鲍嘉 (Humphrey Bogart)的一句话,宇宙有这么多星系,而我们偏偏生活在银河系。我们当然也质疑,为什么银河系就没有一个饥饿的超大质量黑洞?不过,这可能只是一个时间问题,因为和宇宙的寿命比起来,我们的存在时间毕竟太过短暂。

的确,就在不久前,事情看起来可能大相径庭。我们观测到了距离银心300光年的星际气体云所产生的X射线“回声”。从我们的角度来看,当时,也就是300年前,银河系中心的一个强大天体,向外释放出了比今天强一百万倍的X射线。2010年,美国哈佛大学的一个小组公布了一项惊人的发现:通过观测伽马射线,他们发现了一个来自银河系内部的暗弱却极其庞大的结构。这个结构横贯天空,看上去就像一对气泡,每个气泡都横跨25 000光年的空间尺度。这些发出伽马射线的气泡扎根于银河系的核心,它们也许就是过去10万年间,银心的黑洞在生长和活动时留下的痕迹。

种种证据拼合起来,一幅描绘我们银河家园的迷人图景逐渐浮现。如果银河系与其他成千上万个星系遵循一样的规律,那么它必定有一个“饮食规律”的黑洞。这个黑洞也许不是最大的,释放出的能量也不是最多的,但它就像银心处的一个不安分的大深渊。或许,人们已经预料到,这个引力发动机随时都会重新点燃。

共同演化

众所周知,银河系及其中央的黑洞是一个特殊的天体系统。之所以特殊,是因为它指明了宇宙环境和地球生命现象之间可能存在的关联。科学家和哲学家有时会关注“人择原理”。“人择”一词源于古希腊,意为某种东西从属于人类或者人类存在的时期。人择原理常常用来对付一些很尴尬的问题,比如,我们的宇宙是否恰好适合生命的出现。理由是,在宇宙中,哪怕只有几个基本物理定律或物理常数发生了微小的变化,这样的宇宙也无法孕育生命。目前我们仍不能很好地解释,为什么这些物理参数是这个样子。因此也许有人会问:今天的宇宙为什么就恰巧适宜生命的出现?这件事的概率不是极小吗?

和许多科学家一样,面对这些问题,我也会觉得很尴尬。因此,我们决心摒弃在任何方面都是“特殊的”偏见。正如哥白尼提出的:地球不是太阳系的中心,我们也不是宇宙的中心。其实,现代宇宙学所描述的宇宙并没有实际意义上的中心。关于一些人择原理的争论,人们也需要慎重回答。多重现实或多重宇宙也许能够解决“我们是特殊的”这一问题。假如我们所在的宇宙只是多维宇宙中的一个,那么我们的存在也就不足为奇:我们只是生活在一个恰好允许生命存在的宇宙中,并没有什么特殊性,就像是一个拥有适宜气候的岛屿。

这些信息确实让我们感觉好多了,但也促使我们进一步思考,一个宇宙需要满足哪些条件,才能出现生命。银河系,包括我们自己,恰好处于超大质量黑洞活动的最佳影响位置,这是非常让人吃惊的。这可不仅仅是巧合,我们首先想到的问题是,太阳系是否受到了25 000光年之外的黑洞活动的直接物理影响。

那颗超大质量黑洞,对银河系“郊区”孕育生命的行星的宜居性,又有怎样的影响?在黑洞开启、进食并释放能量的过程中,我们并没有看到它变得多么明亮。不过,从银盘延伸出的巨大而炽热的伽马射线泡来看,的确表明黑洞释放出了巨大能量,但并不朝向我们。即使曾经有过更剧烈的天体活动,必定也是很遥远的事情,甚至早于太阳系的形成(45亿年前)。从那以后,银心的中央黑洞对银河系“郊区”(比如太阳系)的物理影响变得适中(才有了生命的出现)。

对生命来说,这也许是件好事。如果行星(类似地球)暴露在大幅增加的星际辐射(高能光子和高速运动的粒子)之下,生物体内的分子会受到辐射的损害,甚至影响大气和海洋的结构以及化学成份。我们可能相对较好地被保护了起来,没受到来自银心(距离我们25 000光年)的辐射侵袭。但如果我们更靠近银心的话,就会截然不同。看来,我们没有居住在一颗更加靠近银心的行星上并非偶然。所以,我们不必在此时——而非数十亿年前的过去或者将来——发现自己的存在而感到惊讶。

和其他许多星系一样,银河系也会与中央的超大质量黑洞共同演化。确实,根据目前的线索,我们也许可以同时回答两个问题:银河系中央的黑洞如何直接影响地球上的生命,以及作为银河系状态的指示器,它到底起到了什么样的作用。超大质量黑洞和宿主星系之间的联系,为我们提供了一个测量星系演化的实在工具。在年轻宇宙中,受到黑洞强烈影响的类星体,一般都出现在最大的椭圆星系中,它们绝大部分位于星系团的核心。这些星系在宇宙早期迅速形成,目前,它们当中的恒星几乎都已衰老,星系中的绝大部分原始气体,也因温度过高而无法形成新的恒星或行星。

至于其他椭圆星系,其巨大的、类似蒲公英头部的部分(由恒星组成),似乎形成于星系并合的后期。在星系形成过程中,某些未知的东西会“终止”恒星的形成,目前我们认为,超大质量黑洞所输出的能量(虽不剧烈,但能量惊人)是解释这一现象的绝佳候选者。

另外,旋涡星系盘中央的恒星核球(星系盘中央上下凸起部分,由大量恒星组成,包裹着中央黑洞)也暗示了中央黑洞的存在。它们的一些模式和椭圆星系相同。在两种星系中,中央黑洞的质量都能够达到周围恒星总质量的1/1 000。与我们相邻的仙女星系就是一个例子,恒星核球比银河系的大20倍。

位于仙女星系(等级)之下的星系,属于无核球星系,包括许多旋涡星系。虽然银河系是一个巨大的星系(位列宇宙中已知的最大星系之一),但中央黑洞是相对较小的。在这些星系中,恒星核球的缺失一直是个谜:原因可能是,星系的原始物质最初很少,无法形成核球,或者说,其中央黑洞从来就没有真正起作用,又或者是,很少有体积较小的星系或物质团块掉进过这些星系,星系周围大量的矮星系对此也无计可施。在星系大家族中,那些名副其实的小不点(矮星系)十分可怜,它们往往只含有几千万颗左右的恒星,这也表明了,气体和尘埃没有再形成新的恒星。所以,这些矮星系(富含原始星际物质)常常十分暗弱,恒星几乎全无,就好像有人忘记点亮灯芯一样。

银河系目前依然在不断形成新的恒星,速率接近每年3个太阳质量。站在人的角度来看,这个数字并不大,但这也表明了,人类祖先从坦桑尼亚奥杜瓦伊峡谷中的某个地方直立走出来到现在,银河系已经诞生了至少1 000万颗恒星。这在140亿岁高龄的宇宙中,并不是一件坏事。年轻宇宙中的巨型星系,即那些从核心发出耀眼光芒的类星体,在某种程度上,已燃烧殆尽。这些星系中央的黑洞剧烈喷出的物质扼杀了任何新恒星的诞生:接近光速运动的空泡发出的压力波,会阻挠物质冷却下来形成恒星。而此时,银河系还在不断形成新的恒星。

银河系的超大质量黑洞,从整个星系的尺度上来看只能算是一个小点。不过,拥有400万个太阳质量的它却异常强大,它会不时地向外施展它的威力。2010年,科学家在银心处发现了一对能发射出伽马射线的“气泡”,它们从银心黑洞处向外延伸出25 000光年的距离。这两个气泡可能是不久前,黑洞的一次爆发留下的痕迹。当时,并不是有物质掉进黑洞,而是向外发射出了带电粒子和高能辐射。幸运的是,这次爆发,或许并没有直接对着银河系郊区的太阳系。

完美宜居

银河系内几乎没有中央恒星核球,中央黑洞的活动程度也不剧烈。这似乎可以帮助我们寻找适宜生命存在的外星系。这些外星系早期没有形成巨大的黑洞,所以也不会释放出巨大的能量。就像银河系,新的恒星就会连续形成,但不同的恒星系统具有不同的活力。由于巨大的循环压力波(circulating pressure waves)会扰动由气体和尘埃组成的恒星星系盘,所以新恒星往往形成于旋臂(旋涡星系中的螺线形带状结构)的边缘。这些恒星会更加远离银心。

天文学家认为,太阳系正处在一个适当的区域。剧烈的恒星形成过程会留下一个极为凌乱的环境:大质量的恒星会以最快的速度燃烧掉内部的核燃料,然后发生剧烈的超新星爆炸。由此释放出的辐射会吹散行星的大气层或者改变大气层的化学成分;飞驰的高能粒子和伽马射线会轰击行星的表面;幽灵般的中微子流也会强到对娇嫩的生物体造成伤害。这些还不算什么,如果距离超新星很近的话,整个系统都可能会被蒸发掉。

在此过程,恒星内部丰富的元素也会播撒到宇宙中去。这些刚出炉的物质会形成恒星和行星。重元素的放射性同位素产生的热量,经过数十亿年的时间,在这些行星上形成了由碳氢化合物和水构成的复杂混合物,也促使行星形成了富有活力的多层次地质结构。因此,在年轻恒星形成、爆发区域和年老恒星衰落、死亡区域之间存在一个“恰到好处”的地方,太阳系就位于这样一个环境当中。它既距离银河系中心足够远,又和目前正在发生恒星爆炸的区域保持着距离。

生命现象和超大质量黑洞的大小及其活动之间的联系,其实相当简单。比起那些贪吃却早已衰竭的黑洞,拥有一个大小适中、定期少量摄食的黑洞的银河系,会更容易出现一个富饶且温和的区域。事实上,在这一时间点,宇宙中任何和银河系相似的星系,都会和两个相反的过程——物质在引力下聚集以及黑洞吞食物质并释放出破坏性能量——紧密相连。黑洞活动越剧烈,新的恒星就越难以形成,重元素的产生也会停止。反之,黑洞如果很平静,星系中会充满过多的年轻恒星和爆发星(超新星、新星、耀星),或者太少的波动以致无法形成任何新东西。确实,一旦平衡发生根本变化,将会改变恒星和星系的整个形成过程。

如果没有星系和超大质量黑洞之间的共同演化,以及它们自身的特殊性,导致人类出现的整个事件链就会有所不同,甚至不复存在。宇宙中恒星的总数将会变化,小质量和大质量恒星的数目也会不同。星系的形成过程很可能将会改变,气体、尘埃以及元素几乎也会截然不同。有些地方将再也不会受到超大质量黑洞产生的强烈同步辐射的炙烤,还有些地方,能促使行星和恒星形成和演化所需的波动再也到不了那里。

宇宙中我们这个富饶的角落被它周围的一切所支配(包括银河系中心的黑洞)。这些特殊的,远离宇宙其他部分的地方,在塑造我们的过程中,扮演了最具影响力的因素之一。我们着实欠它们很多。

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