1939年,阿尔伯特·爱因斯坦在《数学年刊》上发表了一篇论文,论证了黑洞在自然界中并不存在。四分之一个世纪后,马尔滕·施密特发现了类星体,它们是宇宙距离上强大的光源。这些神秘的点状光源在20世纪60年代中期被东方的雅科夫·泽尔多维奇和西方的埃德·萨尔彼得解释为超大质量黑洞,它们由宿主星系的气体供给。当气体流向黑洞时,它会像水流下水道一样旋转。当气体接近黑洞周围最内稳定圆轨道 (ISCO)处的光速的一小部分时,它会通过湍流粘滞性相互摩擦而升温。
因此,它的吸积盘发出明亮的光芒,辐射出大约十分之一的静止质量,并且比其宿主星系中恒星的总光度高出几个数量级。高供给率使类星体在整个可见宇宙的边缘都可见。几十年后,天文学家发现几乎每个星系的中心都存在一个超大质量黑洞,它在大多数时候都处于饥饿状态,但在每次爆发期间仅零星爆发数千万年。类星体就像一个婴儿,由于变得过于活跃,往往会在被喂食后立即将食物从餐桌上移开。
今年,诺贝尔物理学奖授予了安德里亚·盖兹和莱因哈德·根泽尔,以表彰他们提供了确凿的证据,证明在我们银河系的中心也潜伏着一个黑洞,尽管目前它处于饥饿状态。这个重达四百万个太阳的怪物现在处于休眠状态,发出微弱的射电源人马座 A*(缩写为 SgrA*),它比如果像类星体一样慷慨地喂食时暗淡十亿倍。
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尽管 SgrA* 现在很暗淡,但我们有线索表明它过去一定经历过剧烈的进食期。考虑到接近银河系中心的气体云或在 SgrA* 地平线尺度十倍范围内的恒星(这大约相当于地日距离),会被那里的强引力潮汐拉扯成意大利面条状,并变成触发类星体耀斑的气体流,这并不奇怪。
关于 SgrA* 近期被大量气体喂食的“确凿证据”是,SgrA* 周围的年轻恒星在首选平面上运行。这意味着这些恒星是由平面气体盘形成的,就像太阳系平面中的行星或银河系盘中的恒星一样。由于 SgrA* 附近恒星的年龄不到银河系年龄的百分之一,根据哥白尼原理,即现在的时间并非特殊,因此气体云破裂造成的主要吸积事件一定在 SgrA* 周围发生了至少一百次。事实上,一对巨大的热气体团,称为费米气泡,被观察到从银河系中心沿银河系自转轴向外喷发,这意味着 SgrA* 周围最近发生了一次吸积事件,这可能是它们的力量来源。理论计算表明,除了大规模气体云的破裂外,单个恒星也会被散射到黑洞附近,并每万年被潮汐破坏一次。由此产生的碎片流的强烈供给可能会导致 SgrA* 发出最亮的耀斑。在其他星系中确实观察到了这种恒星的潮汐破坏事件,其发生率与预期相符。
SgrA* 由此产生的耀斑会对地球上的生命产生任何影响吗?原则上,可能会,因为它们携带具有破坏性的 X 射线和紫外线 (XUV) 辐射。在与我的前博士后约翰·福布斯合作中,我们在 2018 年表明,如果太阳系仅比银河系中心近十倍,则在此类耀斑期间发射的 XUV 辐射有能力蒸发火星或地球的大气层。但即使在更远的距离,XUV 辐射也可能抑制复杂生命的生长,产生类似于频繁踩踏草坪以抑制其生长的效果。
在太阳目前的地理位置,地球生命免受 SgrA* 的 XUV 耀斑的威胁。然而,最近的研究表明,太阳的诞生地可能离银河系中心更近,太阳通过引力踢迁移到了目前的位置。在更近距离暴露于过去来自 SgrA* 的 XUV 耀斑可能会在地球早期演化过程中损害复杂生命。这或许可以解释为什么地球大气中的氧气水平在二十亿年后才上升到目前的较高水平,也许只有在地球离 SgrA* 足够远之后才发生。目前,我正与马纳斯维·林甘合作,探索地球生命与太阳远离银河系中心迁移之间可能存在的联系。
传统上,太阳被认为是影响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发挥了重要作用。这种令人惊讶的认识类似于弄清楚在你出生之前,一个陌生人可能影响了你的家族史。如果能够建立 SgrA* 与地球生命之间的联系,那么这个超大质量黑洞可能会引发第二个诺贝尔奖。