銀河系中心的黑洞不僅會吞噬周圍的物質(zhì)，還會向外輻射出能量，黑洞的活動程度與其所在的整個星系有莫大的關(guān)系。黑洞活動過多或過少，都會限制生命的出現(xiàn)。
恰巧，銀河系占據(jù)了一個最佳的位置，黑洞的活動程度正好能夠使恒星形成，并維持銀河系的恒星族群處在一個恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。對于我們今天能在此時、此地出現(xiàn)，銀河系中央黑洞功不可沒。
撰文?凱萊布·沙夫（Caleb Scharf）
翻譯?謝懿
在浩瀚的宇宙中，我們的存在猶如白駒過隙。人類的需求完全被宇宙所忽視，大自然以難以琢磨的方式，在空間和時間的尺度上施展著自己強(qiáng)大的威力。也許我們唯一能聊以慰籍的是，關(guān)于周圍的世界，我們會提出無盡的問題，并不斷追尋答案。問題之一便是，我們所處的這個特殊環(huán)境，與由恒星、星系以及黑洞所構(gòu)成的宇宙畫卷之間，到底存在怎樣深刻的聯(lián)系。
許多宇宙現(xiàn)象都能影響生命的存在，但有些影響會更明顯一些，黑洞就是其中之一。宇宙中還沒有其他天體可以如此高效地把物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量，也沒有別的天體能像黑洞這樣，使物質(zhì)以接近光速的速率運(yùn)行數(shù)萬光年。另外，黑洞還能誘捕附近的物質(zhì)，任何東西都無法幸免。它們是宇宙中具有終極競爭力的食客，會像一個“吃貨”一樣狼吞虎咽地進(jìn)食，全然不顧細(xì)嚼慢咽。
落向黑洞的物質(zhì)不會悄無聲息地匿去。隨著越來越接近視界（黑洞表面），物質(zhì)會以極高的速度運(yùn)動。如果黑洞本身也在自轉(zhuǎn)，那么落入黑洞的物質(zhì)還會以極高的速度做螺旋運(yùn)動。這些物質(zhì)與其他任何東西發(fā)生碰撞，巨大動能便會轉(zhuǎn)化成原子和亞原子粒子的動能，釋放出電磁輻射。在抵達(dá)視界前，這些數(shù)量巨大的粒子和光子可以逃離黑洞，向外噴涌而出。用一個粗略的比喻，便是浴缸排水帶來的雜音。隨著水流進(jìn)入排水管，猛烈撞擊空氣中的分子，動能的一部分就會轉(zhuǎn)化成聲波。聲波的運(yùn)動速度比水快得多，可以從排水管中逃逸出來。對巨大的黑洞而言，在這樣一個“消化”過程中所釋放出的能量，足以對周圍的星系產(chǎn)生廣泛的影響。
物質(zhì)被“喂”入超大質(zhì)量黑洞的情形，就如同衣服在洗衣機(jī)中，會偶爾晃動，并發(fā)出聲響一樣，這個過程被稱為“負(fù)載循環(huán)”。黑洞負(fù)載循環(huán)的大小代表了黑洞由吞食物質(zhì)到恢復(fù)平靜的轉(zhuǎn)變速度。目前，位于銀河系中央的超大質(zhì)量黑洞正處于平靜狀態(tài)，但它也會隨時間發(fā)生轉(zhuǎn)變。天文學(xué)家推測，銀河系中心黑洞的負(fù)載循環(huán)與銀河系的整體狀態(tài)之間存在關(guān)聯(lián)。同時，它也為解釋太陽系如何滋養(yǎng)生命，提供了有趣的線索。
負(fù)載循環(huán)
根據(jù)天文觀測的結(jié)果，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，黑洞負(fù)載循環(huán)與其宿主星系的恒星組成有關(guān)。它與把物質(zhì)擲入黑洞，開啟黑洞的負(fù)載循環(huán)有著相同的動力學(xué)過程。這個過程可能會影響星系中恒星的種類，在負(fù)載循環(huán)巔峰時爆發(fā)的黑洞所釋放出的能量，可以改變星系中恒星的組成成分。這些成分對于了解星系系統(tǒng)的特性至關(guān)重要。星系中的恒星可以是紅色、黃色或藍(lán)色的，藍(lán)色的恒星通常質(zhì)量最大，但壽命也最短，只需幾百萬年，就會燃燒殆盡。這就表明，如果你在夜空中看到了藍(lán)色的恒星，那你就目睹了年輕恒星系統(tǒng)的景象和它正在經(jīng)歷的生老病死。
天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果把來自一個星系的所有光線都加到一起，整體的顏色會傾向于紅色或藍(lán)色。紅色的星系多是橢圓星系，而藍(lán)色的則是旋渦星系。介于兩者之間的則被認(rèn)為是過渡型星系——在這種星系中，如果藍(lán)色的年輕恒星死去，沒有產(chǎn)生新的恒星，那么星系也許會變得越來越紅。根據(jù)顏色的混合邏輯，天文學(xué)家將這一中間地帶稱為“綠谷”（green valley）。
在過去的幾十億年里，正是最大的“綠谷”旋渦星系承載著最強(qiáng)的黑洞負(fù)載循環(huán)。在現(xiàn)代宇宙中，“綠谷”旋渦星系內(nèi)的巨型黑洞極有規(guī)律地生長并爆發(fā)。這些星系中，恒星的總質(zhì)量相當(dāng)于1000億個太陽質(zhì)量。比起其他旋渦星系，如果你有幸一瞥上述任何一個“綠谷”旋渦星系，你會有更大的幾率看到黑洞進(jìn)食的跡象。在這些星系中，大約有1/10擁有一個正在吞食物質(zhì)的黑洞——用宇宙學(xué)的術(shù)語來講，它們的吞食過程會不斷地開啟和停止。
人們還不清楚“綠谷”星系和中央黑洞之間的物理關(guān)聯(lián)?！熬G谷”星系是一個過渡區(qū)，絕大多數(shù)其他星系不是比它紅，就是比它藍(lán)。這類星系中的系統(tǒng)正處于轉(zhuǎn)變過程中，它甚至可能會終止內(nèi)部恒星的形成。我們知道，其他環(huán)境（例如星系團(tuán)和年輕的大型星系）中的超大質(zhì)量黑洞也可以產(chǎn)生這一效果。原因可能是，這些黑洞的行為正在使星系朝著“綠谷星系”轉(zhuǎn)變；也可能是，使星系發(fā)生轉(zhuǎn)變的環(huán)境，正在向黑洞“喂食”物質(zhì)。
隨著對周圍其他旋渦星系的研究，我們發(fā)現(xiàn)了一些證據(jù)：那些釋放能量最多的黑洞，可以在數(shù)千光年的尺度上影響它的宿主星系。在物質(zhì)落入黑洞的過程中，會發(fā)出強(qiáng)烈的紫外線和X射線，驅(qū)使熱氣體向外運(yùn)動，掃過星系中恒星的形成區(qū)域，就像熱浪橫掃一個國家一樣。雖然人們還不清楚，這些熱氣體是如何影響恒星及其內(nèi)部元素的形成，但它的確對此起了很大的作用。
同樣，如此強(qiáng)勁的能量，還會影響星系中更廣泛的區(qū)域。例如，一個被大型星系俘獲的矮星系，在它下落的過程中，會攪動起周圍的物質(zhì)，并把它們送入黑洞 （呈漏斗狀），就像煽動火堆的余燼，使之復(fù)燃一樣。矮星系所產(chǎn)生的引力和壓強(qiáng)效應(yīng)，會抑制或促使這個大型星系的其他地方形成恒星。這些現(xiàn)象或多或少能解釋，為什么一個超大質(zhì)量黑洞的活動會和周圍恒星的年齡 （亦即顏色）大致相關(guān)。
更引人注目的是，天文學(xué)家近來發(fā)現(xiàn)，銀河系也是一個大型“綠谷”星系。那就是說，銀河系中的超大質(zhì)量黑洞應(yīng)該正處于一個快速負(fù)載循環(huán)的過程中，這著實讓人吃驚，因為潛伏在銀河系中心的這個黑洞看上去并不非?；钴S——事實上，是因為它對銀心（銀河系核心）周圍恒星的軌道所產(chǎn)生的潛在影響，才讓人確信它的存在。通過測量，我們發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量只有太陽的400萬倍，只能算是個相對較大的黑洞。然而，根據(jù)我們對宇宙的研究，它應(yīng)該是非?；钴S的。
套用上世紀(jì)美國最偉大的演員之一亨弗萊·鮑嘉 （Humphrey Bogart）的一句話，宇宙有這么多星系，而我們偏偏生活在銀河系。我們當(dāng)然也質(zhì)疑，為什么銀河系就沒有一個饑餓的超大質(zhì)量黑洞？不過，這可能只是一個時間問題，因為和宇宙的壽命比起來，我們的存在時間畢竟太過短暫。
的確，就在不久前，事情看起來可能大相徑庭。我們觀測到了距離銀心300光年的星際氣體云所產(chǎn)生的X射線“回聲”。從我們的角度來看，當(dāng)時，也就是300年前，銀河系中心的一個強(qiáng)大天體，向外釋放出了比今天強(qiáng)一百萬倍的X射線。2010年，美國哈佛大學(xué)的一個小組公布了一項驚人的發(fā)現(xiàn)：通過觀測伽馬射線，他們發(fā)現(xiàn)了一個來自銀河系內(nèi)部的暗弱卻極其龐大的結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)橫貫天空，看上去就像一對氣泡，每個氣泡都橫跨25 000光年的空間尺度。這些發(fā)出伽馬射線的氣泡扎根于銀河系的核心，它們也許就是過去10萬年間，銀心的黑洞在生長和活動時留下的痕跡。
種種證據(jù)拼合起來，一幅描繪我們銀河家園的迷人圖景逐漸浮現(xiàn)。如果銀河系與其他成千上萬個星系遵循一樣的規(guī)律，那么它必定有一個“飲食規(guī)律”的黑洞。這個黑洞也許不是最大的，釋放出的能量也不是最多的，但它就像銀心處的一個不安分的大深淵?；蛟S，人們已經(jīng)預(yù)料到，這個引力發(fā)動機(jī)隨時都會重新點(diǎn)燃。
共同演化
眾所周知，銀河系及其中央的黑洞是一個特殊的天體系統(tǒng)。之所以特殊，是因為它指明了宇宙環(huán)境和地球生命現(xiàn)象之間可能存在的關(guān)聯(lián)。科學(xué)家和哲學(xué)家有時會關(guān)注“人擇原理”?！叭藫瘛币辉~源于古希臘，意為某種東西從屬于人類或者人類存在的時期。人擇原理常常用來對付一些很尷尬的問題，比如，我們的宇宙是否恰好適合生命的出現(xiàn)。理由是，在宇宙中，哪怕只有幾個基本物理定律或物理常數(shù)發(fā)生了微小的變化，這樣的宇宙也無法孕育生命。目前我們?nèi)圆荒芎芎玫亟忉?，為什么這些物理參數(shù)是這個樣子。因此也許有人會問：今天的宇宙為什么就恰巧適宜生命的出現(xiàn)？這件事的概率不是極小嗎？
和許多科學(xué)家一樣，面對這些問題，我也會覺得很尷尬。因此，我們決心摒棄在任何方面都是“特殊的”偏見。正如哥白尼提出的：地球不是太陽系的中心，我們也不是宇宙的中心。其實，現(xiàn)代宇宙學(xué)所描述的宇宙并沒有實際意義上的中心。關(guān)于一些人擇原理的爭論，人們也需要慎重回答。多重現(xiàn)實或多重宇宙也許能夠解決“我們是特殊的”這一問題。假如我們所在的宇宙只是多維宇宙中的一個，那么我們的存在也就不足為奇：我們只是生活在一個恰好允許生命存在的宇宙中，并沒有什么特殊性，就像是一個擁有適宜氣候的島嶼。
這些信息確實讓我們感覺好多了，但也促使我們進(jìn)一步思考，一個宇宙需要滿足哪些條件，才能出現(xiàn)生命。銀河系，包括我們自己，恰好處于超大質(zhì)量黑洞活動的最佳影響位置，這是非常讓人吃驚的。這可不僅僅是巧合，我們首先想到的問題是，太陽系是否受到了25 000光年之外的黑洞活動的直接物理影響。
那顆超大質(zhì)量黑洞，對銀河系“郊區(qū)”孕育生命的行星的宜居性，又有怎樣的影響？在黑洞開啟、進(jìn)食并釋放能量的過程中，我們并沒有看到它變得多么明亮。不過，從銀盤延伸出的巨大而熾熱的伽馬射線泡來看，的確表明黑洞釋放出了巨大能量，但并不朝向我們。即使曾經(jīng)有過更劇烈的天體活動，必定也是很遙遠(yuǎn)的事情，甚至早于太陽系的形成（45億年前）。從那以后，銀心的中央黑洞對銀河系“郊區(qū)”（比如太陽系）的物理影響變得適中（才有了生命的出現(xiàn)）。
對生命來說，這也許是件好事。如果行星（類似地球）暴露在大幅增加的星際輻射（高能光子和高速運(yùn)動的粒子）之下，生物體內(nèi)的分子會受到輻射的損害，甚至影響大氣和海洋的結(jié)構(gòu)以及化學(xué)成份。我們可能相對較好地被保護(hù)了起來，沒受到來自銀心（距離我們25 000光年）的輻射侵襲。但如果我們更靠近銀心的話，就會截然不同?？磥恚覀儧]有居住在一顆更加靠近銀心的行星上并非偶然。所以，我們不必在此時——而非數(shù)十億年前的過去或者將來——發(fā)現(xiàn)自己的存在而感到驚訝。
和其他許多星系一樣，銀河系也會與中央的超大質(zhì)量黑洞共同演化。確實，根據(jù)目前的線索，我們也許可以同時回答兩個問題：銀河系中央的黑洞如何直接影響地球上的生命，以及作為銀河系狀態(tài)的指示器，它到底起到了什么樣的作用。超大質(zhì)量黑洞和宿主星系之間的聯(lián)系，為我們提供了一個測量星系演化的實在工具。在年輕宇宙中，受到黑洞強(qiáng)烈影響的類星體，一般都出現(xiàn)在最大的橢圓星系中，它們絕大部分位于星系團(tuán)的核心。這些星系在宇宙早期迅速形成，目前，它們當(dāng)中的恒星幾乎都已衰老，星系中的絕大部分原始?xì)怏w，也因溫度過高而無法形成新的恒星或行星。
至于其他橢圓星系，其巨大的、類似蒲公英頭部的部分（由恒星組成），似乎形成于星系并合的后期。在星系形成過程中，某些未知的東西會“終止”恒星的形成，目前我們認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞所輸出的能量（雖不劇烈，但能量驚人）是解釋這一現(xiàn)象的絕佳候選者。
另外，旋渦星系盤中央的恒星核球（星系盤中央上下凸起部分，由大量恒星組成，包裹著中央黑洞）也暗示了中央黑洞的存在。它們的一些模式和橢圓星系相同。在兩種星系中，中央黑洞的質(zhì)量都能夠達(dá)到周圍恒星總質(zhì)量的1/1 000。與我們相鄰的仙女星系就是一個例子，恒星核球比銀河系的大20倍。
位于仙女星系（等級）之下的星系，屬于無核球星系，包括許多旋渦星系。雖然銀河系是一個巨大的星系（位列宇宙中已知的最大星系之一），但中央黑洞是相對較小的。在這些星系中，恒星核球的缺失一直是個謎：原因可能是，星系的原始物質(zhì)最初很少，無法形成核球，或者說，其中央黑洞從來就沒有真正起作用，又或者是，很少有體積較小的星系或物質(zhì)團(tuán)塊掉進(jìn)過這些星系，星系周圍大量的矮星系對此也無計可施。在星系大家族中，那些名副其實的小不點(diǎn)（矮星系）十分可憐，它們往往只含有幾千萬顆左右的恒星，這也表明了，氣體和塵埃沒有再形成新的恒星。所以，這些矮星系（富含原始星際物質(zhì)）常常十分暗弱，恒星幾乎全無，就好像有人忘記點(diǎn)亮燈芯一樣。
銀河系目前依然在不斷形成新的恒星，速率接近每年3個太陽質(zhì)量。站在人的角度來看，這個數(shù)字并不大，但這也表明了，人類祖先從坦桑尼亞奧杜瓦伊峽谷中的某個地方直立走出來到現(xiàn)在，銀河系已經(jīng)誕生了至少1 000萬顆恒星。這在140億歲高齡的宇宙中，并不是一件壞事。年輕宇宙中的巨型星系，即那些從核心發(fā)出耀眼光芒的類星體，在某種程度上，已燃燒殆盡。這些星系中央的黑洞劇烈噴出的物質(zhì)扼殺了任何新恒星的誕生：接近光速運(yùn)動的空泡發(fā)出的壓力波，會阻撓物質(zhì)冷卻下來形成恒星。而此時，銀河系還在不斷形成新的恒星。
銀河系的超大質(zhì)量黑洞，從整個星系的尺度上來看只能算是一個小點(diǎn)。不過，擁有400萬個太陽質(zhì)量的它卻異常強(qiáng)大，它會不時地向外施展它的威力。2010年，科學(xué)家在銀心處發(fā)現(xiàn)了一對能發(fā)射出伽馬射線的“氣泡”，它們從銀心黑洞處向外延伸出25 000光年的距離。這兩個氣泡可能是不久前，黑洞的一次爆發(fā)留下的痕跡。當(dāng)時，并不是有物質(zhì)掉進(jìn)黑洞，而是向外發(fā)射出了帶電粒子和高能輻射。幸運(yùn)的是，這次爆發(fā)，或許并沒有直接對著銀河系郊區(qū)的太陽系。
完美宜居
銀河系內(nèi)幾乎沒有中央恒星核球，中央黑洞的活動程度也不劇烈。這似乎可以幫助我們尋找適宜生命存在的外星系。這些外星系早期沒有形成巨大的黑洞，所以也不會釋放出巨大的能量。就像銀河系，新的恒星就會連續(xù)形成，但不同的恒星系統(tǒng)具有不同的活力。由于巨大的循環(huán)壓力波（circulating pressure waves）會擾動由氣體和塵埃組成的恒星星系盤，所以新恒星往往形成于旋臂（旋渦星系中的螺線形帶狀結(jié)構(gòu)）的邊緣。這些恒星會更加遠(yuǎn)離銀心。
天文學(xué)家認(rèn)為，太陽系正處在一個適當(dāng)?shù)膮^(qū)域。劇烈的恒星形成過程會留下一個極為凌亂的環(huán)境：大質(zhì)量的恒星會以最快的速度燃燒掉內(nèi)部的核燃料，然后發(fā)生劇烈的超新星爆炸。由此釋放出的輻射會吹散行星的大氣層或者改變大氣層的化學(xué)成分；飛馳的高能粒子和伽馬射線會轟擊行星的表面；幽靈般的中微子流也會強(qiáng)到對嬌嫩的生物體造成傷害。這些還不算什么，如果距離超新星很近的話，整個系統(tǒng)都可能會被蒸發(fā)掉。
在此過程，恒星內(nèi)部豐富的元素也會播撒到宇宙中去。這些剛出爐的物質(zhì)會形成恒星和行星。重元素的放射性同位素產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過數(shù)十億年的時間，在這些行星上形成了由碳?xì)浠衔锖退畼?gòu)成的復(fù)雜混合物，也促使行星形成了富有活力的多層次地質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此，在年輕恒星形成、爆發(fā)區(qū)域和年老恒星衰落、死亡區(qū)域之間存在一個“恰到好處”的地方，太陽系就位于這樣一個環(huán)境當(dāng)中。它既距離銀河系中心足夠遠(yuǎn)，又和目前正在發(fā)生恒星爆炸的區(qū)域保持著距離。
生命現(xiàn)象和超大質(zhì)量黑洞的大小及其活動之間的聯(lián)系，其實相當(dāng)簡單。比起那些貪吃卻早已衰竭的黑洞，擁有一個大小適中、定期少量攝食的黑洞的銀河系，會更容易出現(xiàn)一個富饒且溫和的區(qū)域。事實上，在這一時間點(diǎn)，宇宙中任何和銀河系相似的星系，都會和兩個相反的過程——物質(zhì)在引力下聚集以及黑洞吞食物質(zhì)并釋放出破壞性能量——緊密相連。黑洞活動越劇烈，新的恒星就越難以形成，重元素的產(chǎn)生也會停止。反之，黑洞如果很平靜，星系中會充滿過多的年輕恒星和爆發(fā)星（超新星、新星、耀星），或者太少的波動以致無法形成任何新東西。確實，一旦平衡發(fā)生根本變化，將會改變恒星和星系的整個形成過程。
如果沒有星系和超大質(zhì)量黑洞之間的共同演化，以及它們自身的特殊性，導(dǎo)致人類出現(xiàn)的整個事件鏈就會有所不同，甚至不復(fù)存在。宇宙中恒星的總數(shù)將會變化，小質(zhì)量和大質(zhì)量恒星的數(shù)目也會不同。星系的形成過程很可能將會改變，氣體、塵埃以及元素幾乎也會截然不同。有些地方將再也不會受到超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的強(qiáng)烈同步輻射的炙烤，還有些地方，能促使行星和恒星形成和演化所需的波動再也到不了那里。
宇宙中我們這個富饒的角落被它周圍的一切所支配（包括銀河系中心的黑洞）。這些特殊的，遠(yuǎn)離宇宙其他部分的地方，在塑造我們的過程中，扮演了最具影響力的因素之一。我們著實欠它們很多。
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