没有这颗黑洞，生命或不复存在

撰文 凯莱布·沙夫（Caleb Scharf）

翻译 谢懿

在浩瀚的宇宙中，我们的存在犹如白驹过隙。人类的需求完全被宇宙所忽视，大自然以难以琢磨的方式，在空间和时间的尺度上施展着自己强大的威力。也许我们唯一能聊以慰籍的是，关于周围的世界，我们会提出无尽的问题，并不断追寻答案。问题之一便是，我们所处的这个特殊环境，与由恒星、星系以及黑洞所构成的宇宙画卷之间，到底存在怎样深刻的联系。

许多宇宙现象都能影响生命的存在，但有些影响会更明显一些，黑洞就是其中之一。宇宙中还没有其他天体可以如此高效地把物质转化成能量，也没有别的天体能像黑洞这样，使物质以接近光速的速率运行数万光年。另外，黑洞还能诱捕附近的物质，任何东西都无法幸免。它们是宇宙中具有终极竞争力的食客，会像一个“吃货”一样狼吞虎咽地进食，全然不顾细嚼慢咽。

落向黑洞的物质不会悄无声息地匿去。随着越来越接近视界（黑洞表面），物质会以极高的速度运动。如果黑洞本身也在自转，那么落入黑洞的物质还会以极高的速度做螺旋运动。这些物质与其他任何东西发生碰撞，巨大动能便会转化成原子和亚原子粒子的动能，释放出电磁辐射。在抵达视界前，这些数量巨大的粒子和光子可以逃离黑洞，向外喷涌而出。用一个粗略的比喻，便是浴缸排水带来的杂音。随着水流进入排水管，猛烈撞击空气中的分子，动能的一部分就会转化成声波。声波的运动速度比水快得多，可以从排水管中逃逸出来。对巨大的黑洞而言，在这样一个“消化”过程中所释放出的能量，足以对周围的星系产生广泛的影响。

物质被“喂”入超大质量黑洞的情形，就如同衣服在洗衣机中，会偶尔晃动，并发出声响一样，这个过程被称为“负载循环”。黑洞负载循环的大小代表了黑洞由吞食物质到恢复平静的转变速度。目前，位于银河系中央的超大质量黑洞正处于平静状态，但它也会随时间发生转变。天文学家推测，银河系中心黑洞的负载循环与银河系的整体状态之间存在关联。同时，它也为解释太阳系如何滋养生命，提供了有趣的线索。

根据天文观测的结果，我们惊奇地发现，黑洞负载循环与其宿主星系的恒星组成有关。它与把物质掷入黑洞，开启黑洞的负载循环有着相同的动力学过程。这个过程可能会影响星系中恒星的种类，在负载循环巅峰时爆发的黑洞所释放出的能量，可以改变星系中恒星的组成成分。这些成分对于了解星系系统的特性至关重要。星系中的恒星可以是红色、黄色或蓝色的，蓝色的恒星通常质量最大，但寿命也最短，只需几百万年，就会燃烧殆尽。这就表明，如果你在夜空中看到了蓝色的恒星，那你就目睹了年轻恒星系统的景象和它正在经历的生老病死。

天文学家发现，如果把来自一个星系的所有光线都加到一起，整体的颜色会倾向于红色或蓝色。红色的星系多是椭圆星系，而蓝色的则是旋涡星系。介于两者之间的则被认为是过渡型星系——在这种星系中，如果蓝色的年轻恒星死去，没有产生新的恒星，那么星系也许会变得越来越红。根据颜色的混合逻辑，天文学家将这一中间地带称为“绿谷”（green valley）。

在过去的几十亿年里，正是最大的“绿谷”旋涡星系承载着最强的黑洞负载循环。在现代宇宙中，“绿谷”旋涡星系内的巨型黑洞极有规律地生长并爆发。这些星系中，恒星的总质量相当于1000亿个太阳质量。比起其他旋涡星系，如果你有幸一瞥上述任何一个“绿谷”旋涡星系，你会有更大的几率看到黑洞进食的迹象。在这些星系中，大约有1/10拥有一个正在吞食物质的黑洞——用宇宙学的术语来讲，它们的吞食过程会不断地开启和停止。

人们还不清楚“绿谷”星系和中央黑洞之间的物理关联。“绿谷”星系是一个过渡区，绝大多数其他星系不是比它红，就是比它蓝。这类星系中的系统正处于转变过程中，它甚至可能会终止内部恒星的形成。我们知道，其他环境（例如星系团和年轻的大型星系）中的超大质量黑洞也可以产生这一效果。原因可能是，这些黑洞的行为正在使星系朝着“绿谷星系”转变；也可能是，使星系发生转变的环境，正在向黑洞“喂食”物质。

随着对周围其他旋涡星系的研究，我们发现了一些证据：那些释放能量最多的黑洞，可以在数千光年的尺度上影响它的宿主星系。在物质落入黑洞的过程中，会发出强烈的紫外线和X射线，驱使热气体向外运动，扫过星系中恒星的形成区域，就像热浪横扫一个国家一样。虽然人们还不清楚，这些热气体是如何影响恒星及其内部元素的形成，但它的确对此起了很大的作用。

同样，如此强劲的能量，还会影响星系中更广泛的区域。例如，一个被大型星系俘获的矮星系，在它下落的过程中，会搅动起周围的物质，并把它们送入黑洞 （呈漏斗状），就像煽动火堆的余烬，使之复燃一样。矮星系所产生的引力和压强效应，会抑制或促使这个大型星系的其他地方形成恒星。这些现象或多或少能解释，为什么一个超大质量黑洞的活动会和周围恒星的年龄 （亦即颜色）大致相关。

更引人注目的是，天文学家近来发现，银河系也是一个大型“绿谷”星系。那就是说，银河系中的超大质量黑洞应该正处于一个快速负载循环的过程中，这着实让人吃惊，因为潜伏在银河系中心的这个黑洞看上去并不非常活跃——事实上，是因为它对银心（银河系核心）周围恒星的轨道所产生的潜在影响，才让人确信它的存在。通过测量，我们发现，它的质量只有太阳的400万倍，只能算是个相对较大的黑洞。然而，根据我们对宇宙的研究，它应该是非常活跃的。

套用上世纪美国最伟大的演员之一亨弗莱·鲍嘉 （Humphrey Bogart）的一句话，宇宙有这么多星系，而我们偏偏生活在银河系。我们当然也质疑，为什么银河系就没有一个饥饿的超大质量黑洞？不过，这可能只是一个时间问题，因为和宇宙的寿命比起来，我们的存在时间毕竟太过短暂。

的确，就在不久前，事情看起来可能大相径庭。我们观测到了距离银心300光年的星际气体云所产生的X射线“回声”。从我们的角度来看，当时，也就是300年前，银河系中心的一个强大天体，向外释放出了比今天强一百万倍的X射线。2010年，美国哈佛大学的一个小组公布了一项惊人的发现：通过观测伽马射线，他们发现了一个来自银河系内部的暗弱却极其庞大的结构。这个结构横贯天空，看上去就像一对气泡，每个气泡都横跨25 000光年的空间尺度。这些发出伽马射线的气泡扎根于银河系的核心，它们也许就是过去10万年间，银心的黑洞在生长和活动时留下的痕迹。

种种证据拼合起来，一幅描绘我们银河家园的迷人图景逐渐浮现。如果银河系与其他成千上万个星系遵循一样的规律，那么它必定有一个“饮食规律”的黑洞。这个黑洞也许不是最大的，释放出的能量也不是最多的，但它就像银心处的一个不安分的大深渊。或许，人们已经预料到，这个引力发动机随时都会重新点燃。

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。

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。

如果没有星系和超大质量黑洞之间的共同演化，以及它们自身的特殊性，导致人类出现的整个事件链就会有所不同，甚至不复存在。宇宙中恒星的总数将会变化，小质量和大质量恒星的数目也会不同。星系的形成过程很可能将会改变，气体、尘埃以及元素几乎也会截然不同。有些地方将再也不会受到超大质量黑洞产生的强烈同步辐射的炙烤，还有些地方，能促使行星和恒星形成和演化所需的波动再也到不了那里。

宇宙中我们这个富饶的角落被它周围的一切所支配（包括银河系中心的黑洞）。这些特殊的，远离宇宙其他部分的地方，在塑造我们的过程中，扮演了最具影响力的因素之一。我们着实欠它们很多。

转载请联系：[email protected]

更多精彩黑洞文章，欢迎购买《环球科学·黑洞专刊》。与《天文专刊》搭配，更享超值优惠。

点击文末阅读原文，购买精彩期刊