没有这颗黑洞生命或不复存在我们的存在似白驹过隙

renwen 提交于 周四, 2018/12/20 - 00:13


  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。…

分类标签: 历史考古, 文化
2022-08-03