超大質量黑洞是否影響了地球生命的演化?

這個想法並不像聽起來那麼荒謬

1939年,阿爾伯特·愛因斯坦《數學年刊》上發表了一篇論文,論證了黑洞在自然界中並不存在。四分之一個世紀後,馬爾滕·施密特發現了類星體,它們是宇宙距離上強大的光源。這些神秘的點狀光源在20世紀60年代中期被東方的雅科夫·澤爾多維奇和西方的埃德·薩爾彼得解釋為超大質量黑洞,它們由宿主星系的氣體供給。當氣體流向黑洞時,它會像水流下水道一樣旋轉。當氣體接近黑洞周圍最內穩定圓軌道 (ISCO)處的光速的一小部分時,它會透過湍流粘滯性相互摩擦而升溫。

 因此,它的吸積盤發出明亮的光芒,輻射出大約十分之一的靜止質量,並且比其宿主星系中恆星的總光度高出幾個數量級。高供給率使類星體在整個可見宇宙的邊緣都可見。幾十年後,天文學家發現幾乎每個星系的中心都存在一個超大質量黑洞,它在大多數時候都處於飢餓狀態,但在每次爆發期間僅零星爆發數千萬年。類星體就像一個嬰兒,由於變得過於活躍,往往會在被餵食後立即將食物從餐桌上移開。 

今年,諾貝爾物理學獎授予了安德里亞·蓋茲和萊因哈德·根澤爾,以表彰他們提供了確鑿的證據,證明在我們銀河系的中心也潛伏著一個黑洞,儘管目前它處於飢餓狀態。這個重達四百萬個太陽的怪物現在處於休眠狀態,發出微弱的射電源人馬座 A*(縮寫為 SgrA*),它比如果像類星體一樣慷慨地餵食時暗淡十億倍。 


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儘管 SgrA* 現在很暗淡,但我們有線索表明它過去一定經歷過劇烈的進食期。考慮到接近銀河系中心的氣體雲或在 SgrA* 地平線尺度十倍範圍內的恆星(這大約相當於地日距離),會被那裡的強引力潮汐拉扯成義大利麵條狀,並變成觸發類星體耀斑的氣體流,這並不奇怪。

關於 SgrA* 近期被大量氣體餵食的“確鑿證據”是,SgrA* 周圍的年輕恆星在首選平面上執行。這意味著這些恆星是由平面氣體盤形成的,就像太陽系平面中的行星或銀河系盤中的恆星一樣。由於 SgrA* 附近恆星的年齡不到銀河系年齡的百分之一,根據哥白尼原理,即現在的時間並非特殊,因此氣體雲破裂造成的主要吸積事件一定在 SgrA* 周圍發生了至少一百次。事實上,一對巨大的熱氣體團,稱為費米氣泡,被觀察到從銀河系中心沿銀河系自轉軸向外噴發,這意味著 SgrA* 周圍最近發生了一次吸積事件,這可能是它們的力量來源。理論計算表明,除了大規模氣體雲的破裂外,單個恆星也會被散射到黑洞附近,並每萬年被潮汐破壞一次。由此產生的碎片流的強烈供給可能會導致 SgrA* 發出最亮的耀斑。在其他星系中確實觀察到了這種恆星的潮汐破壞事件,其發生率與預期相符。

SgrA* 由此產生的耀斑會對地球上的生命產生任何影響嗎?原則上,可能會,因為它們攜帶具有破壞性的 X 射線和紫外線 (XUV) 輻射。在與我的前博士後約翰·福布斯合作中,我們在 2018 年表明,如果太陽系僅比銀河系中心近十倍,則在此類耀斑期間發射的 XUV 輻射有能力蒸發火星或地球的大氣層。但即使在更遠的距離,XUV 輻射也可能抑制複雜生命的生長,產生類似於頻繁踩踏草坪以抑制其生長的效果。

在太陽目前的地理位置,地球生命免受 SgrA* 的 XUV 耀斑的威脅。然而,最近的研究表明,太陽的誕生地可能離銀河系中心更近,太陽透過引力踢遷移到了目前的位置。在更近距離暴露於過去來自 SgrA* 的 XUV 耀斑可能會在地球早期演化過程中損害複雜生命。這或許可以解釋為什麼地球大氣中的氧氣水平在二十億年後才上升到目前的較高水平,也許只有在地球離 SgrA* 足夠遠之後才發生。目前,我正與馬納斯維·林甘合作,探索地球生命與太陽遠離銀河系中心遷移之間可能存在的聯絡。

傳統上,太陽被認為是影響地球生命的唯一天文光源。但黑洞 SgrA* 也可能在塑造地球生命的演化史上發揮了重要作用。這種令人驚訝的認識類似於弄清楚在你出生之前,一個陌生人可能影響了你的家族史。如果能夠建立 SgrA* 與地球生命之間的聯絡,那麼這個超大質量黑洞可能會引發第二個諾貝爾獎。

Avi Loeb 是伽利略專案的負責人,哈佛-史密森天體物理學中心理論與計算研究所所長,哈佛大學黑洞倡議組織的創始主任,以及哈佛大學天文系前系主任(2011-2020 年)。他曾任總統科學技術顧問委員會成員,以及國家科學院物理學和天文學委員會前主席。他已發表一千多篇同行評議論文,並且是暢銷書 ExtraterrestrialInterstellar 的作者,以及教科書 Life in the CosmosThe First Galaxies in the Universe 的合著者。

更多作者:Avi Loeb
SA Space & Physics Vol 4 Issue 2本文最初以“超大質量黑洞是否影響了地球生命的演化?”為標題發表於 SA Space & Physics 第 4 卷第 2 期(
doi:10.1038/scientificamerican042021-418WO23uqQYet4c7ptbzU3
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