生命的存在 黑洞的恩惠

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撰文／沙尔夫（Caleb Scharf）
翻译／李沃龙
提供／科学人（SA台湾）

我们生存在宇宙这一方微小角落的时间是非常短暂的，大自然完全无视於我们的需求，在广阔无垠的时空尺度上挥洒其伟大的作為。或许我们唯一能寥以慰藉的，就是我们拥有对於居住地点提出质疑并寻求答案的无穷能力。我们存在的独特环境，如何与统筹了眾多恆星、星系与黑洞的雄伟宇宙蓝图紧密连结，就是我们现在要问的问题之一。

有许多宇宙现象能影响生命的存在，但有些会比其他的重要一点，拥有独特本质的黑洞就是其中之一，宇宙中没有其他物体能比它更有效率地将物质转变成能量；也只有它能像个极巨大的旋转电池般，将物质以近乎光速弹射到数万光年之外。黑洞诱捕周遭物质的能力同样无与伦比——它们是宇宙裡最强大的终极食客，就像个大胃王似的，它们通常不会细嚼慢嚥，而是狼吞虎嚥地吞食物质。

坠入黑洞的物质并不会默不作声。在接近事件视界时，它们会以极高的速度运动，若黑洞正在旋转，它们更会在其周边跟著超高速旋转。一旦物质遭遇并撞击挡在路径上的任何东西，所释放出来的巨大动能就可以转化為原子与次原子粒子的运动，以及电磁辐射。由於这些粒子和光子在到达事件视界前便已產生，它们可以挣脱黑洞的控制，汹涌地奔回宇宙。浴缸裡嘈杂的排水过程可用来粗略比拟这个现象，当液体坠入排水管时，水会猛烈撞击空气分子，使得某些旋转动能转化成声波。由於声波速度比水快，它们可逃离排水孔。在巨型黑洞的状况裡，这种事件驱赶出的能量会对周遭的星系造成广泛的效应。

当天文学家谈到物质被餵进超大质量黑洞的现象时，他们会说那是个「负载循环」，就像洗衣机的洗衣过程一样，出现断断续续的晃动。黑洞负载循环的速率，代表了它吞食物质和静止状态之间往復变动的频率。位在银河系中心的超大质量黑洞目前虽然处於静止状态，但它也会不时啟动。天文学家推估银河系中心黑洞的负载循环，恰好与星系的整体特质息息相关。它也对太阳系為何能够支持生命的存在，提供了引人入胜的线索。

活跃於绿谷中

令人诧异的是，天文研究的结果指出巨型黑洞的负载循环与宿主星系多样的恆星相关。将物质拋入黑洞，啟动其负载循环的动力学程序，也同时影响了居住在星系中的恆星种类；於负载循环高峰期时自闪耀黑洞倾泻而出的能量，也使得这些恆星的组成更加丰富。这些组成是关於星系系统本质极其重要的线索。星系裡的恆星一般分為红色、黄色或蓝色；蓝色的恆星通常质量最大，因此，它们也是最短命的恆星，其核子燃料会在短短的几百万年内燃烧殆尽。如果你在夜空中观测到蓝色恆星，代表你正在观察年轻的恆星系统，与持续进行中的恆星生命徵象。

天文学家发现，如果把同一星系发出的星光加总起来，整体的顏色不是偏红，就是偏蓝。红星系通常是椭圆星系，而蓝星系往往是螺旋星系，处於此两色群之间的则被认定為过渡时期的系统，可能因為其中年轻的蓝色恆星相继死去，而且没有继起的恆星取代，所以正朝向偏红的路途演进。依据色彩混合的逻辑，天文学家称此中间时期為「绿谷」。

在过去的10亿年裡，最大的绿谷螺旋星系具有最高的黑洞负载循环，它们是当今宇宙中最规律成长并不断嘎嘎作响的巨型黑洞之家。一个这种星系裡的恆星总共含有1000亿太阳质量，并且如果你注视这种星系，比起其他种类的螺旋星系，你更有机会看见进食中黑洞的徵兆。每10个这种星系，就有一个星系包含了正在消耗物质的活跃黑洞，就宇宙而言，它们正不断开啟、关闭。

星系处於绿谷中的状态，与中心黑洞活动的物理连结，仍是个谜。这是个过渡时期，多数星系不是偏红就是偏蓝。绿谷中的系统正在经歷变动期，它甚至可能关闭恆星形成的管道。我们知道处在别种环境下的超大质量黑洞，例如在星系团裡及在年轻的大型星系中，也会出现这样的效应。那有可能是因為它们的活动正在「绿化」星系，而导致星系转型的同样机制也可能会把物质餵进黑洞。

我们研究其他邻近的星系时，确实发现了喷出最多能量的黑洞，会影响宿主星系广达数千光年的证据。在某些情形下，物质被餵入黑洞所引发的猛烈紫外光与X光辐射，会向外推挤气体形成热气，这些热气扫过星系的恆星形成区域时，就像炎热天气的锋面笼罩整个乡野一样。这对於恆星与元素的產生，究竟有什麼具体衝击，目前仍不清楚，但它确实是一股强大的力量。

相同地，触发这类狂暴输出的诱因，会对这些系统有更深远的影响。例如，被更大星系的重力位能阱所捕获的矮星系，在向内坠落时会激扬物质，并将这些物质注入黑洞。这就像煽动将灭之火的餘烬，以重新点亮它一样，坠落的矮星系之重力与压力效应，会降低或刺激较大系统的其他区域裡的恆星形成。这些现象有助於解释為何超大质量黑洞的活动，与其周遭恆星的年龄（以致於顏色）大致相关。

值得注意的是，天文学家直到最近才理解到，银河系正是这种非常大型的绿谷星系之一。也就是说，我们的超大质量黑洞应该处在一个快速的负载循环中，这真是令人惊讶的事，因為潜藏在我们星系中心的黑洞似乎并不怎麼活跃，事实上，科学家是透过观察其对星系核心区域恆星轨道潜伏的效应，才让它原形毕露。从这样的观测可知，它只有400万太阳质量，身材相对娇小。然而，根据我们对宇宙的调查，它应该是个非常忙碌的黑洞才对。

我们可以改编「北非谍影」中的经典台词：在整个宇宙裡所有星系的所有地方中，我们可说是非得存在於此地不可。这当然令人感到怀疑：我们一向不认為在我们的星系裡，会住著一个特别飢饿的超大质量黑洞。

的确就在不久之前，事情的局面似乎完全不同。我们在距离星系中心300光年处，看到有星际云气反射X射线。从我们的角度看来，某个威力强大的大傢伙在300年前从星系的核心区域投掷出比今日强大100万倍以上的X射线光芒。而在2010年时，美国哈佛大学的一个小研究团队宣佈了一项令人瞩目的发现：在星系内部有个在γ射线下看来微弱而巨大的结构。它散佈在太空中，外形就像是一对气泡，各自向外延伸2万5000光年而进入星系际空间。这些气泡的基座根植於银河系的正中心，且放出γ射线，它们可能是在过去10万年裡黑洞成长与活动的指标。

各项证据累加后，便堆砌出一幅我们自家环境的清晰图像。如果银河系也遵守我们在数万个其他星系中所观察到的规律，则它必定含有一个经常摄取食物的黑洞。这黑洞不必然拥有最壮硕的身材，或在进食时能產生最多的能量，但它是个忙碌的天体，一个定居於银河系的狂暴深渊。我们预期这部重力引擎，应该会随时重新啟动。

黑洞与生命

很明显的，银河系与其中心黑洞属於一个特殊的类型。在今日的宇宙裡，它拥有一个与眾不同的状态，指出了在宇宙环境与地球上生命现象间的可能连结。科学家与哲学家有时会讨论所谓的「人本原理」，「人本」（anthropic）这个字衍生自古希腊文，意為与人类或人类存在期间有关的事情。人本原理通常用来处理我们的宇宙是否恰好适合生命发生这个尷尬的问题。这项推论认為，一个宇宙只要有少数的基本物理定律或物理常数与现有的版本仅有些微差异，就无法產生生命，但我们至今无法解释為何宇宙的物理参数是目前这样，所以问题是：為什麼我们的宇宙竟如此适合生命？这种可能性不是非常低吗？

就像许多科学家一样，面对这些问题时，我会变得非常不舒服。我们下定决心要试著去除任何认為「我们很特殊」的偏见，正如同当年哥白尼倡议地球并不位居太阳系的中心一般，我们也并非宇宙的中心，更何况，现代宇宙学所描述的宇宙并不具备有意义的中心。但有些人本原理的推论，并无法轻易回应。对於赋予我们自身一个特殊状态所產生的不舒适，有一个可能的解决方法，但它的前提是大自然可容许多重真实与多重宇宙的观念与物理图像。例如，倘若我们的宇宙只是眾多存在於更高维度的时空版本之一，那麼我们在此处生存就一点也不奇怪了。我们只是存在於一个具备了某些条件，可容许生命现象的宇宙而已，并没有什麼特别之处，就只不过是座拥有适宜气候的岛屿罢了。

这些都是令人愉快的事，但也让我们进一步思考，究竟什麼样的条件才容许生命在宇宙中发展？银河系以及我们会不偏不倚落在超大质量黑洞活动上的最佳位置，实在是一件令人难以置信的事。这有可能并非单纯的巧合，而第一个涌上心头的问题是，大约2万5000光年外的黑洞活动对周遭环境造成的物理后果，太阳系有没有遭遇过？那会影响我们在星系边缘处的行星发展生命的适宜性吗？

当我们的中心黑洞啟动、摄食并喷发能量时，从我们的观点看来，并没有证据指出它会变得非常明亮。那对从星系盘延伸出来并闪耀著γ射线的巨大泡泡，当然代表著某些相当旺盛的能量输出，但这些能量并未朝向我们而来。如果曾经发生过更激烈的事件，它们必然发生於遥远的过去，甚至可能比45亿年前太阳系的形成更早。自此之后，我们中心的庞然大物，对於位处星系边缘上类似太阳系的恆星系统，似乎就只有和缓适中的物理作用。

就生命的观点而言，这或许是件好事。一个像地球这样的行星，会因周围星际辐射大量增加，而被那些高能光子与疾速运动的粒子从侧边衝撞。辐射对生物分子有害，甚至可影响大气与海洋的结构与化学成份。我们或许因為远在星系中心2万5000光年之外，而受到良好的保护，但如果我们住得稍近一点，可能会有不同的结局。我们并未住在离星系核心较近的行星上这件事，也许不是个巧合。同样地，对我们存在於此刻，而非数十亿年前或数十亿年后，也不必太过讶异。

我们的星系就像许多其他星系一样，是与中心黑洞一起演化的。的确，我们所寻找的线索，可能同时论及银河系中心的黑洞如何影响地球上的生命，以及它如何扮演我们星系整体目前状态的指标。超大质量黑洞与其星系间的连结，是我们用来判断星系歷史的利器。在较年轻的宇宙中由黑洞提供动力的兇恶类星体，通常发生在最大型的椭圆星系中，大多坐落於星系团的核心区域，它们形成得比较早，过程迅速扎实；现在它们的恆星大多已经进入老年，而且其中的气体都太热而无法再生成恆星或行星。

其餘的椭圆星系则繁星锦簇，就像是个超巨大的蒲公英头，似乎是在稍晚的年代裡才由星系合併而成。过程中有某个作用抑制了它们的恆星形成。我们认為，来自超大质量黑洞的能量输出虽不那麼猛烈，但依然威力十足，最有可能扮演这个负责调控的角色。

拥有突出於星系盘上下、由中央恆星构成的核球的螺旋星系，同样显现出其演化歷史与中心黑洞关係匪浅的徵兆。它们追随某些与椭圆星系相同的模式。在这两种星系裡，中心黑洞的质量是其周遭恆星总质量的1/1000。我们的邻居仙女座大星系就是属於这种系统，它巨大的核球包藏了一颗质量比我们的还大20倍以上的黑洞。

更低一阶的星系是无核球星系，许多螺旋星系都属於这类系统。虽然银河系幅员宽广，算得上是已知宇宙裡最大的星系之一，但它却只藏匿了一个相对较小的黑洞。缺乏核球的现象仍是个谜：可能因為一开始星系就没有足够的材质可形成核球，或者黑洞的调控从未真正啟动，又或是在演化路途上鲜少有小型星系与物质团块坠入系统。

数量极其庞大的矮星系也缺少黑洞，星系动物园裡真正的矮子是群可怜的东西，它们通常只拥有数千万颗恆星，气体与尘埃的匱乏使它们无力製造新恆星。那些富含星际物质的系统通常很黯淡，缺少足够的恆星，就像忘了把灯丝点燃起来一样。

我们的星系仍以每年大约三个太阳质量的速率製造恆星，乍看之下并不算多，但这代表自我们的祖先在坦尚尼亚奥都维峡谷裡的某处开始直立行走以来，银河系裡已诞生了至少1000万颗新恆星。这对於年龄将近140亿岁的宇宙而言，并不算差。在早期宇宙中的巨型星系，会从核心发出类星体的光芒，就某种意义而言，这些星系早已燃烧殆尽。它们的中心黑洞冒出令人厌烦的喷发，压制了新恆星的形成；近乎光速运动的物质所构成的膨胀泡泡，引发了涟漪般的压力波，阻止物质冷却聚集成恆星系统。与此同时，银河系依然迈著艰辛的步伐，持续前进。

最适合生命的地方

我们所居住的大型螺旋星系缺乏中央恆星核球，且拥有一个穠纤合度的中心黑洞，这或许暗示了最适合生命发展的星系型态：那些星系不会耗费时日建造巨大无比的黑洞，并抵挡在这个过程中如恶魔般的喷发事件。新恆星持续在类似我们这样的星系中形成，但各个星系的效率不同。当循环流动的强大压力波干扰了气体与尘埃构成的星系盘时，大多数新恆星便在螺旋臂边缘形成，或是诞生於离星系中心较远的地方。因此天文学家说我们住在恆星形成率「适中」的区域。如果恆星形成非常活跃，会製造出异常凌乱的环境，大质量恆星会以很快的速度烧光其核子燃料，形成惊人的超新星爆发。行星的大气会被炸掉，或被辐射改变其化学成份。快速运动的高能粒子与γ射线会轰击其他星球的表面区域，甚至连恆星爆炸所释放出如鬼魅般的微中子通量，都强烈得足以摧毁脆弱的生物。这些还只是温和的效应，如果太靠近超新星，整个系统很可能会气化消失。

但这些同时也是在恆星内部精炼成的丰富元素散佈到宇宙裡的管道，有了这些原料才得以製造恆星与行星。这些行星含有碳氢化合物与水组成的复杂化学混合物，具备层状结构与动力，受到放射性同位素释出的热所搅拌，配上数十亿年的地球物理机制运作。因此，介於年轻恆星形成与爆炸的场所之间，以及古老恆星的摇篮与坟墓之间，有个「正好如此」的地带，而我们的太阳系就位居此种环境之中。它离星系中心够远，又不会太靠近正在形成中、既忙碌又容易爆发的恆星领域。

生命现象与超大质量黑洞的身材及活动之间的关联，其实很简单。富饶且温和的星系地带，极有可能发生在那些拥有大小适中、细嚼慢嚥且规律进食之黑洞的星系裡，而较不会发生在那些呵护著狼吞虎嚥但长久以来已精疲力竭之怪兽的场域。宇宙在这个时刻，存在著像银河系这样的星系，这件事情和物质的重力聚积，以及黑洞吞噬物质时喷发出的破坏性能量这两道相反的程序，紧密地连结在一起。过於频繁的黑洞活动，将使得恆星难以形成，重元素的生產也因而停止。黑洞活动太少，则环境裡将挤满年轻、随时会爆炸的恆星，或者因缺乏扰动而製造不出任何东西。的确，若平衡真的改变，则整个恆星与星系形成的途径都会改变。

如果没有星系与超大质量黑洞的共同演化，以及它们所进行的完美调控，则导致你我存在的整个过程都将有所不同，甚至根本不会发生。宇宙中的恆星总数将会不同；小质量与大质量的恆星数目将会不同；星系的形状可能会不相同，而它们的气体、尘埃与元素的组成也势必不同。有些地方将永远不会遭受超大质量黑洞所发出的同步辐射袭击，也有些地方永远遇不到那激发恆星诞生的意外事件。

这一方宇宙裡的肥沃角落，受到所有曾在其周遭发生的事件所支配，包括位居银河系中心的黑洞之行為。那些封闭自己、与世隔绝的地方，是塑造宇宙最强劲的力量之一。我们的存在都得归功於它们。


（本文原载於科学人2012年第127期9月号）

科幻图片吗？

我认为，我们这个世界对于量子世界来说，就是一种集群现象。比如炮弹打出去，我们看到炮弹。但是对于量子来说，只是一群量子在自己的位置发生了一连串的震动而已，其实他们根本没动。

银河系中心的黑洞貌似准备吞食一块气体云？

好文章。领教了。

美文欣赏

yuansoul 发表于 2012-12-29 14:14

                               
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我认为，我们这个世界对于量子世界来说，就是一种集群现象。比如炮弹打出去，我们看到炮弹。但是对于量子来 ...

这是在那看到的，俺看看去

@星涳 发表于 2013-1-3 15:23

                               
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这是在那看到的，俺看看去

我自己想的，其实我说错了，应该是“弦”，弦的一连串震动，就像水波纹散开。纯属臆想，呵呵。主要是最近看的有关弦理论

yuansoul 发表于 2013-1-3 18:05

                               
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我自己想的，其实我说错了，应该是“弦”，弦的一连串震动，就像水波纹散开。纯属臆想，呵呵。主要是最近 ...

呵呵，不错不错，有心得了记得分享给俺

谢谢楼主

谢谢大家！！

@gohomeman1
我有个疑问啊，天鹅座X-1的黑洞是不是直接内爆形成的黑洞，没有经历超新星爆发的阶段？

sonic5188 发表于 2013-1-9 20:22

                               
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@gohomeman1
我有个疑问啊，天鹅座X-1的黑洞是不是直接内爆形成的黑洞，没有经历超新星爆发的阶段？
...

近两年是有一篇研究报告，是这么说的。
理由就是：假如产生过超新星爆发（应该是GRB级别的），因坍缩不可能均衡的，反冲会导致双星系统解体，而不是像现在这样，还是密近双星系统。主星是蓝超巨星，与红超巨星不同，主星的直径并不大。

当然该观点还是有反对意见的，既使完全向内收缩，也无法保证各向均衡，同样会产生反冲的。而且按照另外一派的研究，形成黑洞总是会导致相对论性喷流，区别仅在喷流能否穿透恒星外壳罢了。