生命诞生——天知道我们都经历了什么

途说历史网

发布于2024-05-09

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生命诞生——天知道我们都经历了什么

总所周知，生命的诞生是经历了很多不可重复的、偶然的、复杂的过程。而一般人都会认为恒星，适合的温度，大气层，水等因素至关重要，但是如果说黑洞对生命起源起了作用，可能令人觉得匪夷所思。最近有科学家就提出了这样的观点，不管怎么说，生命产生绝非易事，人类这样智慧生命的出现更是让人觉得肃然起敬。

银河系中心的黑洞不仅会吞噬周围的物质，还会向外辐射出能量，黑洞的活动程度与其所在的整个星系有莫大的关系。黑洞活动过多或过少，都会限制生命的出现。

恰巧，银河系占据了一个最佳的位置，黑洞的活动程度正好能够使恒星形成，并维持银河系的恒星族群处在一个恰当的状态。对于我们今天能在此时、此地出现，银河系中央黑洞功不可没。

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。

负载循环

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。

共同演化

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。

完美宜居

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。

也许就是这样，生命的诞生犹如一部精美的机器，而很多天体就像是零件一样，缺一不可。

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