银河系为何能演化出生命？可能要感谢中心黑洞附近的磁场

腾讯太空 · 公众号 · 探索 · 2019-07-11 21:36

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大多数星系的中心黑洞都很活跃，它们在吞噬物质的过程中释放出高能辐射。然而奇怪的是，位于银河系中心的黑洞却十分安静。 NASA科学家对这一现象进行了研究，发现可能和附近的磁场有关。

还记得不久前发生的科学大事件吗？美国航空航天局（NASA）与德国航空航天中心的联合项目——安装在一架飞机上的同温层红外观测台（SOFIA）的高分辨率GREAT分光仪，检测到宇宙中最早的分子离子HeH+发射的红外线。

最近，这个观测台又有了了不起的新发现——安装在SOFIA上的高分辨率机载宽带相机HAWC+观测到了来自银河系中心黑洞的红外线，科学家依靠这些红外线计算出了银河系中心黑洞附近的磁场性质。

超大质量黑洞如何形成？

几乎每个星系中心都有一个黑洞。银河系的中心就有一个超大质量黑洞。

根据质量的大小，黑洞可以分为恒星级黑洞、中间质量黑洞与超大质量黑洞三种。其中100倍太阳质量以下的叫恒星级黑洞，100万倍太阳质量以上的黑洞称为超大质量黑洞。介于这两者之间的黑洞，被称为中间质量黑洞。比如像银河系中心的黑洞，就是一个400万倍太阳质量的黑洞，它属于超大质量黑洞。

银河系中心超大质量黑洞“人马座A*”；图片来自网络

超大质量黑洞到底是怎么形成的？这在天文学研究中还没有定论。

第一种可能性认为，超大质量恒星是由恒星级黑洞相互碰撞以后产生的，两个黑洞碰撞之后会合并，它还会逐渐吸积周围星际空间中的气体云，最终成长为超大质量黑洞。

第二种可能认为，超大质量黑洞可能是宇宙大爆炸产生的原初黑洞通过长年累月地吸积其他物质而长大的。

第三种可能认为，星际空间中的巨大气体云没有形成恒星，而是直接坍缩成超大质量黑洞的种子，最终也会演变为超大质量黑洞。

银河系在宇宙大爆炸后2亿年就开始形成了，其中心的超大质量黑洞可能是宇宙大爆炸产生的原初黑洞通过长年累月地吸积别的物质长大的。但真相是不是这样，目前还不可知。因为银河系中心的黑洞离地球很近，距离只有2.6万光年，所以我们只能看到2.6万年前的银河系中心的图像。但是这个黑洞形成在宇宙极早期（大约130亿年前），所以在地球上是观测不到它形成时期的图像的（该时期的光信号已经发传送到了130亿光年之外）。

现在在地球上的黑洞事件视界望远镜虽然能拍摄到银河系中心黑洞的模糊照片，但这个照片只是2.6万年前的图像，并不是这个黑洞形成过程的图片。正因为我们不可能看到银河系中心黑洞的形成过程，所以它到底是怎么形成的，也许永远是一个谜。

黑洞的旋转加上磁场引起喷流

大部分黑洞周围存在喷流，这些喷流是一些高能粒子与射线，射线指电磁波，它的波长分布很广，当然也包括红外线。HAWC+观测到的就是来自银河系中心黑洞喷流中的红外线。

但是，黑洞喷流到底是怎么形成的？这个问题到目前也没有一个定论。科学界已经有了多种关于喷流形成的理论模型，这些模型有一个共识—— 喷流形成需要两个要素：黑洞的转动和磁场。

黑洞吸积和喷流示意图，来源：牧夫天文论坛

黑洞一般是转动的，转动的黑洞可以用爱因斯坦场方程的“克尔解”来描述。当然了，“克尔解”描述的是“无毛”的理想黑洞，而一般在现实中的天文黑洞都是“有毛”的——黑洞周围一般存在“喷流”。

由于黑洞旋转会导致周围的时空被拖曳着一起旋转，沿黑洞周围下落的物质就会在旋转过程中形成吸积盘，这些吸积盘里有很多高能带电粒子。在旋转的过程中，高能带电粒子因为运动形成了电流，而电流会产生磁场（这就是初中物理中奥斯特发现的电流产生磁场的现象）。反过来，这些磁场又会影响黑洞周围的带电粒子的运动。

要描述这个过程，科学家既需要描述电磁场的麦克斯韦方程，还需要考虑描述流体运动的纳维-斯托克斯方程（这个方程是最难解的偏微分方程），所以整个问题在理论上很难计算，只能用计算机来做模拟。

计算机模拟的结果也显示，在旋转的黑洞附近如果存在磁场，那么喷流就会产生。

如何观测黑洞的磁场

由上面的论述可知，对于黑洞喷流来说，磁场起到了关键的作用。

但黑洞往往距离地球很远，所以近距离探测黑洞的磁场是不可能的。并且磁场的强度随着距离的立方衰减，遥远的距离使得在地球上用一个高斯计（一种磁感应强度测量器）去直接探测远方黑洞的磁场变得绝无可能。

那么，只能用间接的方法探测黑洞的磁场了。

我们知道，黑洞周围存在一些高能电子。而电子是带电的，所以它会受到黑洞周围磁场的作用。在中学里，很多人学过“洛伦兹力”的相关知识。一个电子在（均匀）磁场中会受到洛伦兹力而作圆周运动。如果磁场很强，而且电子的运动速度接近于光速，那么这个电子就会发出所谓的“ 同步辐射 ”（沿切线方向发出的电磁波）。北京正负电子对撞机的轨道是一个圆，电子在里面做圆周运动的时候就会发出同步辐射。

北京高能同步辐射光源概念图，圆形为带电粒子运动轨道，会从切线方向发出“同步辐射”；图片来自网络

同步辐射与黑体辐射一样，都有很完善的理论描述，因此是一种很好的标准光源。黑洞周围的高速电子受到磁场的作用，正在辐射出类似的“同步辐射”。

而且，有一个重要特征是，同步辐射出来的光是偏振光。

什么是偏振光呢？我们去看3D电影的时候，电影院会给我们发一副墨镜，这个墨镜的每一个镜片就是一个偏振片——自然光经过偏振片以后就会变成偏振光。

具体来说，因为光是电磁波，所以它有一个电场。同时，光是一个横波，其电场方向一定与传播方向垂直。在观测者看来，光的电场是一个矢量，这个矢量在与观察方向垂直的平面内。而所谓的线偏振光，就是说这个电场矢量一直固定在同一个方向；而所谓的圆偏振光，电场矢量则可以在这个平面内旋转。

在地球上观测到的黑洞附近的红外线，是电子在磁场中作同步辐射的时候发出来的，它具有偏振性质。

SOFIA的研究团队在1.3毫米的远红外波长上获得了一些观测结果，发现这一波段的光是线性偏振的。通过这些偏振光就可以反推出黑洞附近的磁场信息了。结果表明，银河系中心黑洞的磁场会将气体物质引导到黑洞周围的轨道上，而不是直接进入黑洞，这就阻止了黑洞“进食”，使得它相对于其他星系的黑洞来说，显得温和得多（没有那么强的高能辐射）。