沒有這顆黑洞，生命或不復存在

銀河系中心的黑洞不僅會吞噬周圍的物質，還會向外輻射出能量，黑洞的活動程度與其所在的整個星系有莫大的關係。黑洞活動過多或過少，都會限制生命的出現。

恰巧，銀河系佔據了一個最佳的位置，黑洞的活動程度正好能夠使恆星形成，並維持銀河系的恆星族群處在一個恰當的狀態。對於我們今天能在此時、此地出現，銀河系中央黑洞功不可沒。

撰文?凱萊布·沙夫（Caleb Scharf）

翻譯?謝懿

在浩瀚的宇宙中，我們的存在猶如白駒過隙。人類的需求完全被宇宙所忽視，大自然以難以琢磨的方式，在空間和時間的尺度上施展著自己強大的威力。也許我們唯一能聊以慰籍的是，關於周圍的世界，我們會提出無盡的問題，並不斷追尋答案。問題之一便是，我們所處的這個特殊環境，與由恆星、星系以及黑洞所構成的宇宙畫卷之間，到底存在怎樣深刻的聯繫。

許多宇宙現象都能影響生命的存在，但有些影響會更明顯一些，黑洞就是其中之一。宇宙中還沒有其他天體可以如此高效地把物質轉化成能量，也沒有別的天體能像黑洞這樣，使物質以接近光速的速率運行數萬光年。另外，黑洞還能誘捕附近的物質，任何東西都無法倖免。它們是宇宙中具有終極競爭力的食客，會像一個「吃貨」一樣狼吞虎咽地進食，全然不顧細嚼慢咽。

落向黑洞的物質不會悄無聲息地匿去。隨著越來越接近視界（黑洞表面），物質會以極高的速度運動。如果黑洞本身也在自轉，那麼落入黑洞的物質還會以極高的速度做螺旋運動。這些物質與其他任何東西發生碰撞，巨大動能便會轉化成原子和亞原子粒子的動能，釋放出電磁輻射。在抵達視界前，這些數量巨大的粒子和光子可以逃離黑洞，向外噴涌而出。用一個粗略的比喻，便是浴缸排水帶來的雜音。隨著水流進入排水管，猛烈撞擊空氣中的分子，動能的一部分就會轉化成聲波。聲波的運動速度比水快得多，可以從排水管中逃逸出來。對巨大的黑洞而言，在這樣一個「消化」過程中所釋放出的能量，足以對周圍的星系產生廣泛的影響。

物質被「喂」入超大質量黑洞的情形，就如同衣服在洗衣機中，會偶爾晃動，並發出聲響一樣，這個過程被稱為「負載循環」。黑洞負載循環的大小代表了黑洞由吞食物質到恢復平靜的轉變速度。目前，位於銀河系中央的超大質量黑洞正處於平靜狀態，但它也會隨時間發生轉變。天文學家推測，銀河系中心黑洞的負載循環與銀河系的整體狀態之間存在關聯。同時，它也為解釋太陽系如何滋養生命，提供了有趣的線索。

負載循環

根據天文觀測的結果，我們驚奇地發現，黑洞負載循環與其宿主星系的恆星組成有關。它與把物質擲入黑洞，開啟黑洞的負載循環有著相同的動力學過程。這個過程可能會影響星系中恆星的種類，在負載循環巔峰時爆發的黑洞所釋放出的能量，可以改變星系中恆星的組成成分。這些成分對於了解星系系統的特性至關重要。星系中的恆星可以是紅色、黃色或藍色的，藍色的恆星通常質量最大，但壽命也最短，只需幾百萬年，就會燃燒殆盡。這就表明，如果你在夜空中看到了藍色的恆星，那你就目睹了年輕恆星系統的景象和它正在經歷的生老病死。

天文學家發現，如果把來自一個星系的所有光線都加到一起，整體的顏色會傾向於紅色或藍色。紅色的星系多是橢圓星系，而藍色的則是旋渦星系。介於兩者之間的則被認為是過渡型星系——在這種星系中，如果藍色的年輕恆星死去，沒有產生新的恆星，那麼星系也許會變得越來越紅。根據顏色的混合邏輯，天文學家將這一中間地帶稱為「綠谷」（green valley）。

在過去的幾十億年里，正是最大的「綠谷」旋渦星系承載著最強的黑洞負載循環。在現代宇宙中，「綠谷」旋渦星系內的巨型黑洞極有規律地生長並爆發。這些星系中，恆星的總質量相當於1000億個太陽質量。比起其他旋渦星系，如果你有幸一瞥上述任何一個「綠谷」旋渦星系，你會有更大的幾率看到黑洞進食的跡象。在這些星系中，大約有1/10擁有一個正在吞食物質的黑洞——用宇宙學的術語來講，它們的吞食過程會不斷地開啟和停止。

人們還不清楚「綠谷」星系和中央黑洞之間的物理關聯。「綠谷」星系是一個過渡區，絕大多數其他星系不是比它紅，就是比它藍。這類星系中的系統正處於轉變過程中，它甚至可能會終止內部恆星的形成。我們知道，其他環境（例如星系團和年輕的大型星系）中的超大質量黑洞也可以產生這一效果。原因可能是，這些黑洞的行為正在使星系朝著「綠谷星系」轉變；也可能是，使星系發生轉變的環境，正在向黑洞「餵食」物質。

隨著對周圍其他旋渦星系的研究，我們發現了一些證據：那些釋放能量最多的黑洞，可以在數千光年的尺度上影響它的宿主星系。在物質落入黑洞的過程中，會發出強烈的紫外線和X射線，驅使熱氣體向外運動，掃過星系中恆星的形成區域，就像熱浪橫掃一個國家一樣。雖然人們還不清楚，這些熱氣體是如何影響恆星及其內部元素的形成，但它的確對此起了很大的作用。

同樣，如此強勁的能量，還會影響星系中更廣泛的區域。例如，一個被大型星系俘獲的矮星系，在它下落的過程中，會攪動起周圍的物質，並把它們送入黑洞 （呈漏斗狀），就像煽動火堆的餘燼，使之復燃一樣。矮星系所產生的引力和壓強效應，會抑制或促使這個大型星系的其他地方形成恆星。這些現象或多或少能解釋，為什麼一個超大質量黑洞的活動會和周圍恆星的年齡 （亦即顏色）大致相關。

更引人注目的是，天文學家近來發現，銀河系也是一個大型「綠谷」星系。那就是說，銀河系中的超大質量黑洞應該正處於一個快速負載循環的過程中，這著實讓人吃驚，因為潛伏在銀河系中心的這個黑洞看上去並不非常活躍——事實上，是因為它對銀心（銀河系核心）周圍恆星的軌道所產生的潛在影響，才讓人確信它的存在。通過測量，我們發現，它的質量只有太陽的400萬倍，只能算是個相對較大的黑洞。然而，根據我們對宇宙的研究，它應該是非常活躍的。

套用上世紀美國最偉大的演員之一亨弗萊·鮑嘉 （Humphrey Bogart）的一句話，宇宙有這麼多星系，而我們偏偏生活在銀河系。我們當然也質疑，為什麼銀河系就沒有一個飢餓的超大質量黑洞？不過，這可能只是一個時間問題，因為和宇宙的壽命比起來，我們的存在時間畢竟太過短暫。

的確，就在不久前，事情看起來可能大相徑庭。我們觀測到了距離銀心300光年的星際氣體雲所產生的X射線「回聲」。從我們的角度來看，當時，也就是300年前，銀河系中心的一個強大天體，向外釋放出了比今天強一百萬倍的X射線。2010年，美國哈佛大學的一個小組公布了一項驚人的發現：通過觀測伽馬射線，他們發現了一個來自銀河系內部的暗弱卻極其龐大的結構。這個結構橫貫天空，看上去就像一對氣泡，每個氣泡都橫跨25 000光年的空間尺度。這些發出伽馬射線的氣泡紮根於銀河系的核心，它們也許就是過去10萬年間，銀心的黑洞在生長和活動時留下的痕迹。

種種證據拼合起來，一幅描繪我們銀河家園的迷人圖景逐漸浮現。如果銀河系與其他成千上萬個星系遵循一樣的規律，那麼它必定有一個「飲食規律」的黑洞。這個黑洞也許不是最大的，釋放出的能量也不是最多的，但它就像銀心處的一個不安分的大深淵。或許，人們已經預料到，這個引力發動機隨時都會重新點燃。

共同演化

眾所周知，銀河系及其中央的黑洞是一個特殊的天體系統。之所以特殊，是因為它指明了宇宙環境和地球生命現象之間可能存在的關聯。科學家和哲學家有時會關注「人擇原理」。「人擇」一詞源於古希臘，意為某種東西從屬於人類或者人類存在的時期。人擇原理常常用來對付一些很尷尬的問題，比如，我們的宇宙是否恰好適合生命的出現。理由是，在宇宙中，哪怕只有幾個基本物理定律或物理常數發生了微小的變化，這樣的宇宙也無法孕育生命。目前我們仍不能很好地解釋，為什麼這些物理參數是這個樣子。因此也許有人會問：今天的宇宙為什麼就恰巧適宜生命的出現？這件事的概率不是極小嗎？

和許多科學家一樣，面對這些問題，我也會覺得很尷尬。因此，我們決心摒棄在任何方面都是「特殊的」偏見。正如哥白尼提出的：地球不是太陽系的中心，我們也不是宇宙的中心。其實，現代宇宙學所描述的宇宙並沒有實際意義上的中心。關於一些人擇原理的爭論，人們也需要慎重回答。多重現實或多重宇宙也許能夠解決「我們是特殊的」這一問題。假如我們所在的宇宙只是多維宇宙中的一個，那麼我們的存在也就不足為奇：我們只是生活在一個恰好允許生命存在的宇宙中，並沒有什麼特殊性，就像是一個擁有適宜氣候的島嶼。

這些信息確實讓我們感覺好多了，但也促使我們進一步思考，一個宇宙需要滿足哪些條件，才能出現生命。銀河系，包括我們自己，恰好處於超大質量黑洞活動的最佳影響位置，這是非常讓人吃驚的。這可不僅僅是巧合，我們首先想到的問題是，太陽系是否受到了25 000光年之外的黑洞活動的直接物理影響。

那顆超大質量黑洞，對銀河系「郊區」孕育生命的行星的宜居性，又有怎樣的影響？在黑洞開啟、進食並釋放能量的過程中，我們並沒有看到它變得多麼明亮。不過，從銀盤延伸出的巨大而熾熱的伽馬射線泡來看，的確表明黑洞釋放出了巨大能量，但並不朝向我們。即使曾經有過更劇烈的天體活動，必定也是很遙遠的事情，甚至早於太陽系的形成（45億年前）。從那以後，銀心的中央黑洞對銀河系「郊區」（比如太陽系）的物理影響變得適中（才有了生命的出現）。

對生命來說，這也許是件好事。如果行星（類似地球）暴露在大幅增加的星際輻射（高能光子和高速運動的粒子）之下，生物體內的分子會受到輻射的損害，甚至影響大氣和海洋的結構以及化學成份。我們可能相對較好地被保護了起來，沒受到來自銀心（距離我們25 000光年）的輻射侵襲。但如果我們更靠近銀心的話，就會截然不同。看來，我們沒有居住在一顆更加靠近銀心的行星上並非偶然。所以，我們不必在此時——而非數十億年前的過去或者將來——發現自己的存在而感到驚訝。

和其他許多星系一樣，銀河系也會與中央的超大質量黑洞共同演化。確實，根據目前的線索，我們也許可以同時回答兩個問題：銀河系中央的黑洞如何直接影響地球上的生命，以及作為銀河系狀態的指示器，它到底起到了什麼樣的作用。超大質量黑洞和宿主星系之間的聯繫，為我們提供了一個測量星系演化的實在工具。在年輕宇宙中，受到黑洞強烈影響的類星體，一般都出現在最大的橢圓星系中，它們絕大部分位於星系團的核心。這些星系在宇宙早期迅速形成，目前，它們當中的恆星幾乎都已衰老，星系中的絕大部分原始氣體，也因溫度過高而無法形成新的恆星或行星。

至於其他橢圓星系，其巨大的、類似蒲公英頭部的部分（由恆星組成），似乎形成於星系併合的後期。在星系形成過程中，某些未知的東西會「終止」恆星的形成，目前我們認為，超大質量黑洞所輸出的能量（雖不劇烈，但能量驚人）是解釋這一現象的絕佳候選者。

另外，旋渦星系盤中央的恆星核球（星系盤中央上下凸起部分，由大量恆星組成，包裹著中央黑洞）也暗示了中央黑洞的存在。它們的一些模式和橢圓星系相同。在兩種星系中，中央黑洞的質量都能夠達到周圍恆星總質量的1/1 000。與我們相鄰的仙女星系就是一個例子，恆星核球比銀河系的大20倍。

位於仙女星系（等級）之下的星系，屬於無核球星系，包括許多旋渦星系。雖然銀河系是一個巨大的星系（位列宇宙中已知的最大星系之一），但中央黑洞是相對較小的。在這些星系中，恆星核球的缺失一直是個謎：原因可能是，星系的原始物質最初很少，無法形成核球，或者說，其中央黑洞從來就沒有真正起作用，又或者是，很少有體積較小的星系或物質團塊掉進過這些星系，星系周圍大量的矮星系對此也無計可施。在星系大家族中，那些名副其實的小不點（矮星系）十分可憐，它們往往只含有幾千萬顆左右的恆星，這也表明了，氣體和塵埃沒有再形成新的恆星。所以，這些矮星系（富含原始星際物質）常常十分暗弱，恆星幾乎全無，就好像有人忘記點亮燈芯一樣。

銀河系目前依然在不斷形成新的恆星，速率接近每年3個太陽質量。站在人的角度來看，這個數字並不大，但這也表明了，人類祖先從坦尚尼亞奧杜瓦伊峽谷中的某個地方直立走出來到現在，銀河系已經誕生了至少1 000萬顆恆星。這在140億歲高齡的宇宙中，並不是一件壞事。年輕宇宙中的巨型星系，即那些從核心發出耀眼光芒的類星體，在某種程度上，已燃燒殆盡。這些星系中央的黑洞劇烈噴出的物質扼殺了任何新恆星的誕生：接近光速運動的空泡發出的壓力波，會阻撓物質冷卻下來形成恆星。而此時，銀河系還在不斷形成新的恆星。

銀河系的超大質量黑洞，從整個星系的尺度上來看只能算是一個小點。不過，擁有400萬個太陽質量的它卻異常強大，它會不時地向外施展它的威力。2010年，科學家在銀心處發現了一對能發射出伽馬射線的「氣泡」，它們從銀心黑洞處向外延伸出25 000光年的距離。這兩個氣泡可能是不久前，黑洞的一次爆發留下的痕迹。當時，並不是有物質掉進黑洞，而是向外發射出了帶電粒子和高能輻射。幸運的是，這次爆發，或許並沒有直接對著銀河系郊區的太陽系。

完美宜居

銀河系內幾乎沒有中央恆星核球，中央黑洞的活動程度也不劇烈。這似乎可以幫助我們尋找適宜生命存在的外星系。這些外星系早期沒有形成巨大的黑洞，所以也不會釋放出巨大的能量。就像銀河系，新的恆星就會連續形成，但不同的恆星系統具有不同的活力。由於巨大的循環壓力波（circulating pressure waves）會擾動由氣體和塵埃組成的恆星星系盤，所以新恆星往往形成於旋臂（旋渦星系中的螺線形帶狀結構）的邊緣。這些恆星會更加遠離銀心。

天文學家認為，太陽系正處在一個適當的區域。劇烈的恆星形成過程會留下一個極為凌亂的環境：大質量的恆星會以最快的速度燃燒掉內部的核燃料，然後發生劇烈的超新星爆炸。由此釋放出的輻射會吹散行星的大氣層或者改變大氣層的化學成分；飛馳的高能粒子和伽馬射線會轟擊行星的表面；幽靈般的中微子流也會強到對嬌嫩的生物體造成傷害。這些還不算什麼，如果距離超新星很近的話，整個系統都可能會被蒸發掉。

在此過程，恆星內部豐富的元素也會播撒到宇宙中去。這些剛出爐的物質會形成恆星和行星。重元素的放射性同位素產生的熱量，經過數十億年的時間，在這些行星上形成了由碳氫化合物和水構成的複雜混合物，也促使行星形成了富有活力的多層次地質結構。因此，在年輕恆星形成、爆發區域和年老恆星衰落、死亡區域之間存在一個「恰到好處」的地方，太陽系就位於這樣一個環境當中。它既距離銀河系中心足夠遠，又和目前正在發生恆星爆炸的區域保持著距離。

生命現象和超大質量黑洞的大小及其活動之間的聯繫，其實相當簡單。比起那些貪吃卻早已衰竭的黑洞，擁有一個大小適中、定期少量攝食的黑洞的銀河系，會更容易出現一個富饒且溫和的區域。事實上，在這一時間點，宇宙中任何和銀河系相似的星系，都會和兩個相反的過程——物質在引力下聚集以及黑洞吞食物質並釋放出破壞性能量——緊密相連。黑洞活動越劇烈，新的恆星就越難以形成，重元素的產生也會停止。反之，黑洞如果很平靜，星系中會充滿過多的年輕恆星和爆發星（超新星、新星、耀星），或者太少的波動以致無法形成任何新東西。確實，一旦平衡發生根本變化，將會改變恆星和星系的整個形成過程。

如果沒有星系和超大質量黑洞之間的共同演化，以及它們自身的特殊性，導致人類出現的整個事件鏈就會有所不同，甚至不復存在。宇宙中恆星的總數將會變化，小質量和大質量恆星的數目也會不同。星系的形成過程很可能將會改變，氣體、塵埃以及元素幾乎也會截然不同。有些地方將再也不會受到超大質量黑洞產生的強烈同步輻射的炙烤，還有些地方，能促使行星和恆星形成和演化所需的波動再也到不了那裡。

宇宙中我們這個富饒的角落被它周圍的一切所支配（包括銀河系中心的黑洞）。這些特殊的，遠離宇宙其他部分的地方，在塑造我們的過程中，扮演了最具影響力的因素之一。我們著實欠它們很多。

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