黑洞如何塑造周圍的星系、恆星和行星

銀河系中心的吞噬物質的巨獸可能實際上解釋了地球的存在和宜居性

我們存在於這個地方，這個宇宙中微小的角落，是短暫的。大自然完全無視我們的願望和需求，在真正難以理解的空間和時間尺度上上演著其宏偉的劇目。也許我們唯一可以尋求真正慰藉的是我們永無止境地提問和尋求我們所處位置答案的能力。我們現在正在提出的問題之一是，我們的具體情況與這壯麗的宇宙星系和黑洞圖景的聯絡有多深。

許多宇宙現象都可能影響生命的存在，但有些比其他現象更重要。黑洞因其獨特性而位列其中。宇宙中沒有其他物體能像黑洞那樣高效地將物質轉化為能量。沒有其他物體能像巨大的旋轉電池那樣，能夠以接近光速的速度跨越數萬光年噴射物質。黑洞也能以前所未有的方式捕獲附近的物質——它們是宇宙終極的競爭性吞噬者。就像競爭性吞噬者一樣，它們通常大口吞嚥物質，而不是穩定地細嚼慢嚥。

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落入黑洞的物質不會悄無聲息地消失。當它接近事件視界時，它以驚人的速度運動，如果黑洞在旋轉，它會以超高速環繞。如果該物質在途中與任何其他物質相交併碰撞，則有可能釋放出巨大的動能，轉化為原子和亞原子粒子的運動和電磁輻射。這些粒子和光子在到達事件視界之前產生，可以逃逸，湧回宇宙。一個粗略的比喻是將此比作浴缸中的水發出噪音地排出。當液體落入排水管時，其一些漩渦動能轉化為聲波，水衝擊空氣分子。聲波比水移動得更快，並且它們會逃逸。對於巨大的黑洞來說，在此類消化過程中釋放的能量會對周圍的星系產生廣泛的影響。

當天文學家談論物質被喂入超大質量黑洞時，他們談論的是“佔空比”，就像洗衣機內部衣物的間歇性晃動一樣。黑洞佔空比的速度描述了它從吞噬物質到靜止狀態之間來回切換的速度。我們銀河系中心超大質量黑洞現在是靜止的，但它也會不時地開啟。天文學家推斷出的我們中心黑洞的佔空比結果證明與星系的整體風格有關。它也為太陽系如何設法支援生命提供了有趣的暗示。

值班

天文調查的結果表明，巨型黑洞的佔空比令人驚訝地與宿主星系的恆星混合物有關。將物質送入黑洞（並因此設定其佔空比）的相同動力學過程可能影響星系中恆星的種類，並且在佔空比峰值時從耀斑黑洞中傾瀉而出的能量可以為星系的恆星成分增添色彩。這些成分是瞭解星系系統性質的關鍵線索。星系中的恆星可以是紅色、黃色或藍色；藍色恆星通常是質量最大的。因此，它們的壽命也最短，在短短數百萬年內就會耗盡核燃料。這意味著，如果您在夜空中探測到藍色恆星，您就會看到年輕的恆星系統以及正在進行的恆星誕生和死亡的跡象。

天文學家發現，如果您將來自星系的所有光加在一起，則整體顏色將傾向於紅色或藍色類別。紅色星系往往是橢圓星系，而藍色星系往往是旋渦星系。在這兩個顏色組之間是一個被認為是過渡性的位置，那裡的系統可能正在變成紅色，因為它們的年輕藍色恆星正在死亡並且不再被取代。天文學家幾乎沒有諷刺意味，也沒有色彩混合邏輯，將這個中間地帶稱為“綠色山谷”。

在過去的十億年中，最大的所謂綠色山谷旋渦星系具有最高的黑洞佔空比。它們是現代宇宙中最有規律地生長和尖叫的巨型黑洞的家園。這些星系包含 1000 億倍太陽質量的恆星，如果您瞥一眼其中任何一個，您更有可能看到黑洞吞噬物質的跡象，而不是任何其他型別的旋渦星系。在這些星系中，每 10 個星系中就有一個包含一個活躍消耗物質的黑洞——在宇宙術語中，它們不斷地開啟和關閉。

星系位於綠色山谷與中心黑洞活動之間的物理聯絡是一個謎。這是一個過渡區域，大多數星系要麼比它更紅，要麼更藍。山谷中的系統正在發生變化；它甚至可能正在關閉其恆星形成。我們知道超大質量黑洞可以在其他環境中產生這種影響，例如星系團和年輕的大型星系。可能是它們的行為正在使星系“變綠”。也可能是導致星系轉化的相同環境正在向黑洞輸送物質。

當我們研究其他附近的旋渦星系時，我們確實發現證據表明，噴射出最多能量的黑洞已經影響了它們跨越數千光年的宿主系統。在某些情況下，來自物質進入黑洞的強烈紫外線和 X 射線輻射可以將加熱氣體的風狀區域向外推進。這些區域像橫跨一個國家的熱鋒一樣，掃過星系的恆星形成區域。這究竟如何影響恆星和元素的產生尚不清楚，但它是一種強大的力量。同樣，這種劇烈輸出的觸發因素也會影響這些系統的更廣泛範圍。例如，矮星系被較大星系的引力阱捕獲並向內墜落，會攪動物質，使其漏斗狀地進入黑洞。這就像扇動燃盡的火焰的餘燼以重新點燃它。進入的矮星系的引力和壓力效應也可能抑制或鼓勵較大系統中其他地方的恆星形成。這些現象中的一些或全部可能有助於解釋為什麼超大質量黑洞的活動大致與周圍恆星的年齡（以及因此的顏色）相關。

值得注意的是，天文學家最近意識到我們銀河系本身就是這些非常大的綠色山谷星系之一。這意味著我們的超大質量黑洞應該處於快速佔空比，這非常令人驚訝。潛伏在我們星系中心的黑洞似乎不那麼活躍——事實上，它最令人信服地暴露了自己的存在，是透過其對銀河系核心恆星軌道產生的隱蔽影響。透過這種衡量標準，它只有太陽質量的四百萬倍，相對而言只是個小傢伙。然而，根據我們對宇宙的調查，它應該是最繁忙的星系之一。

套用亨弗萊·鮑嘉的話，在所有星系、所有宇宙的所有地方中，我們不得不到這裡來發現自己。當然，很容易持懷疑態度：我們並沒有認為我們的星系是特別飢餓的超大質量黑洞的宿主。但也許這只是時間問題，只是我們短暫的生命與宇宙的生命週期相比而言。

事實上，事情似乎在不久前大相徑庭。我們看到 X 射線從距銀河系中心 300 光年的星際氣體雲中反射出來。因此，從我們的角度來看，300 年前，星系核心深處的某個巨大而強大的物體發出的 X 射線光是今天的百萬倍。2010 年，哈佛大學的一個小型團隊宣佈了一項非凡的發現：來自銀河系內部的伽馬射線光中存在一個微弱但巨大的結構。它遍佈天空，看起來完全像一對氣泡，每個氣泡都向上和向外延伸到星系際空間 25,000 光年。這些氣泡發出伽馬射線光子，其底部錨定在銀河系的核心；它們可能是過去 10 萬年內發生的黑洞生長和活動事件的標誌。

證據正在累積，形成一幅關於我們家園環境的引人入勝的圖景。如果銀河系遵守我們在數萬個其他星系中看到的規則，那麼它必定包含一個非常規律地被餵食的黑洞。這個黑洞可能不是最大或最擅長在吞噬時產生能量的黑洞，但它是一個繁忙的物體，是我們中間的一個風暴深淵。我們應該期待這個引力引擎隨時重新點燃。

快速，而非狂暴

顯然，我們的銀河系及其中心黑洞屬於一個特殊的俱樂部。它們在今天的宇宙中擁有獨特的地位，這指向了宇宙環境與地球上生命現象之間可能存在的聯絡。科學家和哲學家有時會討論所謂的“人擇原理”。“人擇”一詞源於古希臘語，意思是與人類或人類存在時期有關的事物。人擇原理通常處理一個令人尷尬的問題，即我們的宇宙是否在某種程度上恰好適合生命的發生。這種論點認為，如果宇宙中只有少數幾個基本物理定律或物理常數略有不同，它就會無法產生生命。但是，我們目前沒有很好的解釋來解釋為什麼宇宙的物理引數會是現在的樣子。因此，這個問題很突出：為什麼我們的宇宙最終如此適合生命存在？這難道不是令人難以置信的巧合嗎？

像許多科學家一樣，當面對這些問題時，我感到不舒服。我們決心努力克服我們以任何方式“特殊”的任何偏見。正如哥白尼提出地球不是太陽系的中心一樣，我們也不是宇宙的中心。此外，現代宇宙學描述的宇宙沒有有意義的中心。然而，一些人擇論證更難以回應。解決賦予我們特殊地位的不適感的一種可能的解決方案，取決於對自然的概念和物理圖景，這種圖景允許存在多種現實或多個宇宙。例如，如果我們的宇宙僅僅是在更高維度時空中存在的眾多宇宙之一，那麼我們存在於這裡就不足為奇了。我們只是存在於一個具有允許生命現象發生的條件的宇宙中——它沒有什麼特別之處。它只是一個氣候適宜的島嶼。

這些都很有趣，但也讓我們更多地思考宇宙中生命的條件清單究竟是什麼。令人驚訝的是，包含我們的銀河系恰好位於超大質量黑洞活動的最佳位置。這可能不僅僅是巧合，首先想到的問題是，我們的太陽系是否會受到距我們約 25,000 光年遠的黑洞活動的直接物理影響。

它會影響我們銀河系郊區附近區域對孕育生命的行星的適宜性嗎？當我們的中心黑洞開啟、吞噬和噴射能量時，證據並沒有表明它從我們的角度來看非常明亮。從銀河盤延伸出來的巨大伽馬射線發光氣泡確實表明產生了一些相當大的能量，但並沒有 направлены 向我們。如果曾經發生過更大的事件，那一定是發生在遙遠的過去，甚至可能在我們太陽系在 45 億年前形成之前。從那時起，我們的中心怪物很可能只對像我們太陽系這樣的遙遠銀河系郊區產生了適度的物理影響。

從生命的角度來看，這可能是一件好事。像地球這樣的行星可能會被以高能光子和快速移動的粒子的形式大量增加的環境星際輻射橫掃。輻射會對生物體內部的分子產生有害影響，甚至影響我們大氣和海洋的結構和化學性質。我們可能在距銀河系中心 25,000 光年的地方受到了相對較好的遮蔽，但如果我們住得更近，情況可能會有所不同。我們沒有居住在更靠近核心的行星上可能並非巧合。同樣，我們或許不應該對我們發現自己此時此地，而不是數十億年前或未來感到驚訝。

像許多其他星系一樣，我們的星系也與其中心超大質量黑洞共同演化。事實上，我們尋求的線索可能既能說明我們的中心黑洞如何直接影響地球上的生命，又能說明它作為衡量我們星系總體現狀的指標的作用。超大質量黑洞及其星系之間的聯絡為我們提供了衡量星系歷史的真實工具。年輕宇宙中強大的、由黑洞驅動的類星體通常出現在最大的橢圓星系中，主要位於星系團的核心。這些星系形成得又快又早；到目前為止，它們的恆星幾乎都已老去，它們的原始氣體也大多太熱而無法形成新的恆星或行星。其他橢圓星系，那些巨大的蒲公英狀恆星頭，似乎是在星系合併後形成的。在某種程度上，“抑制”了它們的恆星形成。我們認為，來自超大質量黑洞的暴力程度較低但仍然非常強大的輸出是這種調節作用的極佳候選者。中心恆星凸起突出於銀河盤上方和下方的旋渦星系也顯示出與其中心黑洞的密切歷史的跡象。它們遵循與橢圓星系相同的一些模式。在這兩種星系中，中心黑洞的質量都是周圍恆星質量的千分之一。我們的鄰居仙女座就是這些系統之一，它的巨大恆星凸起覆蓋了一個比我們大 20 多倍的黑洞。

在等級較低的位置是無核球星系，例如許多旋渦星系。雖然銀河系是一個巨大的星系，是已知宇宙中最大的星系之一，但它卻擁有一個相對微不足道的黑洞。缺乏恆星核球是一個謎：要麼是星系最初形成的原始物質較少，要麼是調節黑洞從未真正啟動，要麼是隨著時間的推移，落入系統的小星系和物質團塊較少。數量驚人的矮星系在黑洞方面也顯得不足。星系動物園中真正的矮星系是非常可憐的東西，通常只有幾千萬顆恆星左右，幾乎沒有新恆星形成的 газовый 或塵埃跡象。那些富含星際湯的星系通常非常黑暗，幾乎沒有恆星，就好像有人忘記點燃導火索一樣。

我們的星系仍然在製造恆星，速度約為每年三個太陽質量。這在個人人類的時間尺度上並不算多，但這意味著自我們的祖先在坦尚尼亞奧杜威峽谷的某個地方開始直立行走以來，銀河系中至少誕生了 1000 萬顆新恆星。對於一個位於一個已有近 140 億年曆史的宇宙中的地方來說，這還不錯。年輕宇宙的巨型星系，從其核心發出類星體光芒，在某種意義上早已燃盡。它們中心黑洞惱怒的咆哮抑制了任何新恆星的形成；來自它們接近光速物質的腹脹氣泡的漣漪壓力波阻止物質冷卻和凝結成恆星系統。與此同時，銀河系仍在艱難跋涉。

非常適合生命

我們生活在一箇中心恆星核球非常小且中心黑洞適中的大型旋渦星系中，這可能暗示了最適合生命的星系型別：那些過去沒有建造巨大的黑洞並在過程中與釋放的惡魔作鬥爭的星系。新恆星在我們這樣的星系中繼續形成，但與其他系統相比，活力不同。大多數新恆星正在旋臂邊緣形成，因為巨大的迴圈壓力波擾亂了氣體和塵埃盤。恆星的形成也比過去更遠離銀河系中心。天文學家說，我們生活在一個“適度”恆星形成的區域。非常活躍的恆星形成會產生非常混亂的環境。它會建造質量巨大的恆星，這些恆星會以最快的速度耗盡其核燃料，最終變成巨大的超新星爆炸。行星大氣可能會被輻射吹散或化學改變。快速移動的高能粒子和伽馬射線會轟擊世界的表面。即使是恆星內爆釋放出的幽靈般的微中微子通量也足以破壞脆弱的生物體。而這些只是適度的影響。離超新星太近，你的整個系統很可能會被汽化。

然而，這些也是恆星內部豐富的元素混合物擴散到宇宙中的機制。這種原材料創造了恆星和行星。它們是具有碳氫化合物和水複雜化學混合物、分層和動態的行星，被重放射性同位素的熱量攪動，並具有數十億年的地球物理學歷史。因此，在形成和爆炸的年輕恆星區域與古老恆星的養老院和墓地之間，存在一個“恰到好處”的地方，而我們的太陽系就位於這樣的環境中。它離銀河系中心足夠遠，但又不太靠近現在正在形成的恆星的繁忙和爆炸區域。

生命現象與超大質量黑洞的大小和活動之間的聯絡非常簡單。肥沃和溫帶的銀河系區域更可能出現在包含適度大小、定期吞噬的黑洞的星系型別中，而不是貪婪但早已耗盡的怪物。在宇宙的這個時間，宇宙中存在像銀河系這樣的任何星系，都與物質的引力聚集和物質吞噬黑洞爆炸的破壞效能量這兩個相反的過程密切相關。黑洞活動過多，新恆星形成就會很少，重元素的產生就會停止。黑洞活動過少，環境可能會過度充滿年輕和爆炸的恆星——或者太少被攪動而無法產生任何東西。事實上，稍微改變平衡，你就會改變恆星和星系形成的整個途徑。

如果沒有星系與超大質量黑洞的共同演化以及它們執行的非凡調節作用，導致你和我出現的整個事件鏈就會有所不同，甚至不存在。宇宙中恆星的總數會不同。低質量和高質量恆星的數量會不同。星系的形狀可能會不同，它們的氣體、塵埃和元素的組織幾乎肯定會不同。有些地方永遠不會被超大質量黑洞的強烈同步加速輻射燒焦。有些地方永遠不會受到衝擊，不會受到刺激，從而啟動恆星或行星的形成。

宇宙的這個肥沃角落一直受其周圍發生的一切支配，包括我們銀河系中心黑洞的行為。那些將自己與宇宙其他部分隔絕開來的地方已成為塑造宇宙的最有影響力的力量之一。我們非常感謝它們。