黑洞如何塑造周围的星系、恒星和行星

银河系中心的吞噬物质的巨兽可能实际上解释了地球的存在和宜居性

我们存在于这个地方，这个宇宙中微小的角落，是短暂的。大自然完全无视我们的愿望和需求，在真正难以理解的空间和时间尺度上上演着其宏伟的剧目。也许我们唯一可以寻求真正慰藉的是我们永无止境地提问和寻求我们所处位置答案的能力。我们现在正在提出的问题之一是，我们的具体情况与这壮丽的宇宙星系和黑洞图景的联系有多深。

许多宇宙现象都可能影响生命的存在，但有些比其他现象更重要。黑洞因其独特性而位列其中。宇宙中没有其他物体能像黑洞那样高效地将物质转化为能量。没有其他物体能像巨大的旋转电池那样，能够以接近光速的速度跨越数万光年喷射物质。黑洞也能以前所未有的方式捕获附近的物质——它们是宇宙终极的竞争性吞噬者。就像竞争性吞噬者一样，它们通常大口吞咽物质，而不是稳定地细嚼慢咽。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。

落入黑洞的物质不会悄无声息地消失。当它接近事件视界时，它以惊人的速度运动，如果黑洞在旋转，它会以超高速环绕。如果该物质在途中与任何其他物质相交并碰撞，则有可能释放出巨大的动能，转化为原子和亚原子粒子的运动和电磁辐射。这些粒子和光子在到达事件视界之前产生，可以逃逸，涌回宇宙。一个粗略的比喻是将此比作浴缸中的水发出噪音地排出。当液体落入排水管时，其一些漩涡动能转化为声波，水冲击空气分子。声波比水移动得更快，并且它们会逃逸。对于巨大的黑洞来说，在此类消化过程中释放的能量会对周围的星系产生广泛的影响。

当天文学家谈论物质被喂入超大质量黑洞时，他们谈论的是“占空比”，就像洗衣机内部衣物的间歇性晃动一样。黑洞占空比的速度描述了它从吞噬物质到静止状态之间来回切换的速度。我们银河系中心超大质量黑洞现在是静止的，但它也会不时地开启。天文学家推断出的我们中心黑洞的占空比结果证明与星系的整体风格有关。它也为太阳系如何设法支持生命提供了有趣的暗示。

值班

天文调查的结果表明，巨型黑洞的占空比令人惊讶地与宿主星系的恒星混合物有关。将物质送入黑洞（并因此设定其占空比）的相同动力学过程可能影响星系中恒星的种类，并且在占空比峰值时从耀斑黑洞中倾泻而出的能量可以为星系的恒星成分增添色彩。这些成分是了解星系系统性质的关键线索。星系中的恒星可以是红色、黄色或蓝色；蓝色恒星通常是质量最大的。因此，它们的寿命也最短，在短短数百万年内就会耗尽核燃料。这意味着，如果您在夜空中探测到蓝色恒星，您就会看到年轻的恒星系统以及正在进行的恒星诞生和死亡的迹象。

天文学家发现，如果您将来自星系的所有光加在一起，则整体颜色将倾向于红色或蓝色类别。红色星系往往是椭圆星系，而蓝色星系往往是旋涡星系。在这两个颜色组之间是一个被认为是过渡性的位置，那里的系统可能正在变成红色，因为它们的年轻蓝色恒星正在死亡并且不再被取代。天文学家几乎没有讽刺意味，也没有色彩混合逻辑，将这个中间地带称为“绿色山谷”。

在过去的十亿年中，最大的所谓绿色山谷旋涡星系具有最高的黑洞占空比。它们是现代宇宙中最有规律地生长和尖叫的巨型黑洞的家园。这些星系包含 1000 亿倍太阳质量的恒星，如果您瞥一眼其中任何一个，您更有可能看到黑洞吞噬物质的迹象，而不是任何其他类型的旋涡星系。在这些星系中，每 10 个星系中就有一个包含一个活跃消耗物质的黑洞——在宇宙术语中，它们不断地开启和关闭。

星系位于绿色山谷与中心黑洞活动之间的物理联系是一个谜。这是一个过渡区域，大多数星系要么比它更红，要么更蓝。山谷中的系统正在发生变化；它甚至可能正在关闭其恒星形成。我们知道超大质量黑洞可以在其他环境中产生这种影响，例如星系团和年轻的大型星系。可能是它们的行为正在使星系“变绿”。也可能是导致星系转化的相同环境正在向黑洞输送物质。

当我们研究其他附近的旋涡星系时，我们确实发现证据表明，喷射出最多能量的黑洞已经影响了它们跨越数千光年的宿主系统。在某些情况下，来自物质进入黑洞的强烈紫外线和 X 射线辐射可以将加热气体的风状区域向外推进。这些区域像横跨一个国家的热锋一样，扫过星系的恒星形成区域。这究竟如何影响恒星和元素的产生尚不清楚，但它是一种强大的力量。同样，这种剧烈输出的触发因素也会影响这些系统的更广泛范围。例如，矮星系被较大星系的引力阱捕获并向内坠落，会搅动物质，使其漏斗状地进入黑洞。这就像扇动燃尽的火焰的余烬以重新点燃它。进入的矮星系的引力和压力效应也可能抑制或鼓励较大系统中其他地方的恒星形成。这些现象中的一些或全部可能有助于解释为什么超大质量黑洞的活动大致与周围恒星的年龄（以及因此的颜色）相关。

值得注意的是，天文学家最近意识到我们银河系本身就是这些非常大的绿色山谷星系之一。这意味着我们的超大质量黑洞应该处于快速占空比，这非常令人惊讶。潜伏在我们星系中心的黑洞似乎不那么活跃——事实上，它最令人信服地暴露了自己的存在，是通过其对银河系核心恒星轨道产生的隐蔽影响。通过这种衡量标准，它只有太阳质量的四百万倍，相对而言只是个小家伙。然而，根据我们对宇宙的调查，它应该是最繁忙的星系之一。

套用亨弗莱·鲍嘉的话，在所有星系、所有宇宙的所有地方中，我们不得不到这里来发现自己。当然，很容易持怀疑态度：我们并没有认为我们的星系是特别饥饿的超大质量黑洞的宿主。但也许这只是时间问题，只是我们短暂的生命与宇宙的生命周期相比而言。

事实上，事情似乎在不久前大相径庭。我们看到 X 射线从距银河系中心 300 光年的星际气体云中反射出来。因此，从我们的角度来看，300 年前，星系核心深处的某个巨大而强大的物体发出的 X 射线光是今天的百万倍。2010 年，哈佛大学的一个小型团队宣布了一项非凡的发现：来自银河系内部的伽马射线光中存在一个微弱但巨大的结构。它遍布天空，看起来完全像一对气泡，每个气泡都向上和向外延伸到星系际空间 25,000 光年。这些气泡发出伽马射线光子，其底部锚定在银河系的核心；它们可能是过去 10 万年内发生的黑洞生长和活动事件的标志。

证据正在累积，形成一幅关于我们家园环境的引人入胜的图景。如果银河系遵守我们在数万个其他星系中看到的规则，那么它必定包含一个非常规律地被喂食的黑洞。这个黑洞可能不是最大或最擅长在吞噬时产生能量的黑洞，但它是一个繁忙的物体，是我们中间的一个风暴深渊。我们应该期待这个引力引擎随时重新点燃。

快速，而非狂暴

显然，我们的银河系及其中心黑洞属于一个特殊的俱乐部。它们在今天的宇宙中拥有独特的地位，这指向了宇宙环境与地球上生命现象之间可能存在的联系。科学家和哲学家有时会讨论所谓的“人择原理”。“人择”一词源于古希腊语，意思是与人类或人类存在时期有关的事物。人择原理通常处理一个令人尴尬的问题，即我们的宇宙是否在某种程度上恰好适合生命的发生。这种论点认为，如果宇宙中只有少数几个基本物理定律或物理常数略有不同，它就会无法产生生命。但是，我们目前没有很好的解释来解释为什么宇宙的物理参数会是现在的样子。因此，这个问题很突出：为什么我们的宇宙最终如此适合生命存在？这难道不是令人难以置信的巧合吗？

像许多科学家一样，当面对这些问题时，我感到不舒服。我们决心努力克服我们以任何方式“特殊”的任何偏见。正如哥白尼提出地球不是太阳系的中心一样，我们也不是宇宙的中心。此外，现代宇宙学描述的宇宙没有有意义的中心。然而，一些人择论证更难以回应。解决赋予我们特殊地位的不适感的一种可能的解决方案，取决于对自然的概念和物理图景，这种图景允许存在多种现实或多个宇宙。例如，如果我们的宇宙仅仅是在更高维度时空中存在的众多宇宙之一，那么我们存在于这里就不足为奇了。我们只是存在于一个具有允许生命现象发生的条件的宇宙中——它没有什么特别之处。它只是一个气候适宜的岛屿。

这些都很有趣，但也让我们更多地思考宇宙中生命的条件清单究竟是什么。令人惊讶的是，包含我们的银河系恰好位于超大质量黑洞活动的最佳位置。这可能不仅仅是巧合，首先想到的问题是，我们的太阳系是否会受到距我们约 25,000 光年远的黑洞活动的直接物理影响。

它会影响我们银河系郊区附近区域对孕育生命的行星的适宜性吗？当我们的中心黑洞开启、吞噬和喷射能量时，证据并没有表明它从我们的角度来看非常明亮。从银河盘延伸出来的巨大伽马射线发光气泡确实表明产生了一些相当大的能量，但并没有 направлены 向我们。如果曾经发生过更大的事件，那一定是发生在遥远的过去，甚至可能在我们太阳系在 45 亿年前形成之前。从那时起，我们的中心怪物很可能只对像我们太阳系这样的遥远银河系郊区产生了适度的物理影响。

从生命的角度来看，这可能是一件好事。像地球这样的行星可能会被以高能光子和快速移动的粒子的形式大量增加的环境星际辐射横扫。辐射会对生物体内部的分子产生有害影响，甚至影响我们大气和海洋的结构和化学性质。我们可能在距银河系中心 25,000 光年的地方受到了相对较好的屏蔽，但如果我们住得更近，情况可能会有所不同。我们没有居住在更靠近核心的行星上可能并非巧合。同样，我们或许不应该对我们发现自己此时此地，而不是数十亿年前或未来感到惊讶。

像许多其他星系一样，我们的星系也与其中心超大质量黑洞共同演化。事实上，我们寻求的线索可能既能说明我们的中心黑洞如何直接影响地球上的生命，又能说明它作为衡量我们星系总体现状的指标的作用。超大质量黑洞及其星系之间的联系为我们提供了衡量星系历史的真实工具。年轻宇宙中强大的、由黑洞驱动的类星体通常出现在最大的椭圆星系中，主要位于星系团的核心。这些星系形成得又快又早；到目前为止，它们的恒星几乎都已老去，它们的原始气体也大多太热而无法形成新的恒星或行星。其他椭圆星系，那些巨大的蒲公英状恒星头，似乎是在星系合并后形成的。在某种程度上，“抑制”了它们的恒星形成。我们认为，来自超大质量黑洞的暴力程度较低但仍然非常强大的输出是这种调节作用的极佳候选者。中心恒星凸起突出于银河盘上方和下方的旋涡星系也显示出与其中心黑洞的密切历史的迹象。它们遵循与椭圆星系相同的一些模式。在这两种星系中，中心黑洞的质量都是周围恒星质量的千分之一。我们的邻居仙女座就是这些系统之一，它的巨大恒星凸起覆盖了一个比我们大 20 多倍的黑洞。

在等级较低的位置是无核球星系，例如许多旋涡星系。虽然银河系是一个巨大的星系，是已知宇宙中最大的星系之一，但它却拥有一个相对微不足道的黑洞。缺乏恒星核球是一个谜：要么是星系最初形成的原始物质较少，要么是调节黑洞从未真正启动，要么是随着时间的推移，落入系统的小星系和物质团块较少。数量惊人的矮星系在黑洞方面也显得不足。星系动物园中真正的矮星系是非常可怜的东西，通常只有几千万颗恒星左右，几乎没有新恒星形成的 газовый 或尘埃迹象。那些富含星际汤的星系通常非常黑暗，几乎没有恒星，就好像有人忘记点燃导火索一样。

我们的星系仍然在制造恒星，速度约为每年三个太阳质量。这在个人人类的时间尺度上并不算多，但这意味着自我们的祖先在坦桑尼亚奥杜威峡谷的某个地方开始直立行走以来，银河系中至少诞生了 1000 万颗新恒星。对于一个位于一个已有近 140 亿年历史的宇宙中的地方来说，这还不错。年轻宇宙的巨型星系，从其核心发出类星体光芒，在某种意义上早已燃尽。它们中心黑洞恼怒的咆哮抑制了任何新恒星的形成；来自它们接近光速物质的腹胀气泡的涟漪压力波阻止物质冷却和凝结成恒星系统。与此同时，银河系仍在艰难跋涉。

非常适合生命

我们生活在一个中心恒星核球非常小且中心黑洞适中的大型旋涡星系中，这可能暗示了最适合生命的星系类型：那些过去没有建造巨大的黑洞并在过程中与释放的恶魔作斗争的星系。新恒星在我们这样的星系中继续形成，但与其他系统相比，活力不同。大多数新恒星正在旋臂边缘形成，因为巨大的循环压力波扰乱了气体和尘埃盘。恒星的形成也比过去更远离银河系中心。天文学家说，我们生活在一个“适度”恒星形成的区域。非常活跃的恒星形成会产生非常混乱的环境。它会建造质量巨大的恒星，这些恒星会以最快的速度耗尽其核燃料，最终变成巨大的超新星爆炸。行星大气可能会被辐射吹散或化学改变。快速移动的高能粒子和伽马射线会轰击世界的表面。即使是恒星内爆释放出的幽灵般的微中微子通量也足以破坏脆弱的生物体。而这些只是适度的影响。离超新星太近，你的整个系统很可能会被汽化。

然而，这些也是恒星内部丰富的元素混合物扩散到宇宙中的机制。这种原材料创造了恒星和行星。它们是具有碳氢化合物和水复杂化学混合物、分层和动态的行星，被重放射性同位素的热量搅动，并具有数十亿年的地球物理学历史。因此，在形成和爆炸的年轻恒星区域与古老恒星的养老院和墓地之间，存在一个“恰到好处”的地方，而我们的太阳系就位于这样的环境中。它离银河系中心足够远，但又不太靠近现在正在形成的恒星的繁忙和爆炸区域。

生命现象与超大质量黑洞的大小和活动之间的联系非常简单。肥沃和温带的银河系区域更可能出现在包含适度大小、定期吞噬的黑洞的星系类型中，而不是贪婪但早已耗尽的怪物。在宇宙的这个时间，宇宙中存在像银河系这样的任何星系，都与物质的引力聚集和物质吞噬黑洞爆炸的破坏性能量这两个相反的过程密切相关。黑洞活动过多，新恒星形成就会很少，重元素的产生就会停止。黑洞活动过少，环境可能会过度充满年轻和爆炸的恒星——或者太少被搅动而无法产生任何东西。事实上，稍微改变平衡，你就会改变恒星和星系形成的整个途径。

如果没有星系与超大质量黑洞的共同演化以及它们执行的非凡调节作用，导致你和我出现的整个事件链就会有所不同，甚至不存在。宇宙中恒星的总数会不同。低质量和高质量恒星的数量会不同。星系的形状可能会不同，它们的气体、尘埃和元素的组织几乎肯定会不同。有些地方永远不会被超大质量黑洞的强烈同步加速辐射烧焦。有些地方永远不会受到冲击，不会受到刺激，从而启动恒星或行星的形成。

宇宙的这个肥沃角落一直受其周围发生的一切支配，包括我们银河系中心黑洞的行为。那些将自己与宇宙其他部分隔绝开来的地方已成为塑造宇宙的最有影响力的力量之一。我们非常感谢它们。