銀河係為何能演化出生命？可能要感謝中心黑洞附近的磁場

知識 07-04

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作者 | 張華

來源 | 科普中國

大多數星系的中心黑洞都很活躍，它們在吞噬物質的過程中釋放出高能輻射。然而奇怪的是，位於銀河系中心的黑洞卻十分安靜。NASA科學家對這一現象進行了研究，發現可能和附近的磁場有關。

還記得不久前發生的科學大事件嗎？美國航空航天局（NASA）與德國航空航天中心的聯合項目——安裝在一架飛機上的同溫層紅外觀測台（SOFIA）的高解析度GREAT分光儀，檢測到宇宙中最早的分子離子HeH 發射的紅外線。

最近，這個觀測台又有了了不起的新發現——安裝在SOFIA上的高解析度機載寬頻相機HAWC 觀測到了來自銀河系中心黑洞的紅外線，科學家依靠這些紅外線計算出了銀河系中心黑洞附近的磁場性質。

超大質量黑洞如何形成？

幾乎每個星系中心都有一個黑洞。銀河系的中心就有一個超大質量黑洞。

根據質量的大小，黑洞可以分為恆星級黑洞、中間質量黑洞與超大質量黑洞三種。其中100倍太陽質量以下的叫恆星級黑洞，100萬倍太陽質量以上的黑洞稱為超大質量黑洞。介於這兩者之間的黑洞，被稱為中間質量黑洞。比如像銀河系中心的黑洞，就是一個400萬倍太陽質量的黑洞，它屬於超大質量黑洞。

圖片來自網路

超大質量黑洞到底是怎麼形成的？這在天文學研究中還沒有定論。

第一種可能性認為，超大質量恆星是由恆星級黑洞相互碰撞以後產生的，兩個黑洞碰撞之後會合併，它還會逐漸吸積周圍星際空間中的氣體雲，最終成長為超大質量黑洞。

第二種可能認為，超大質量黑洞可能是宇宙大爆炸產生的原初黑洞通過長年累月地吸積其他物質而長大的。

第三種可能認為，星際空間中的巨大氣體雲沒有形成恆星，而是直接坍縮成超大質量黑洞的種子，最終也會演變為超大質量黑洞。

銀河系在宇宙大爆炸後2億年就開始形成了，其中心的超大質量黑洞可能是宇宙大爆炸產生的原初黑洞通過長年累月地吸積別的物質長大的。但真相是不是這樣，目前還不可知。因為銀河系中心的黑洞離地球很近，距離只有2.6萬光年，所以我們只能看到2.6萬年前的銀河系中心的圖像。但是這個黑洞形成在宇宙極早期（大約130億年前），所以在地球上是觀測不到它形成時期的圖像的（該時期的光信號已經發傳送到了130億光年之外）。

現在在地球上的黑洞事件視界望遠鏡雖然能拍攝到銀河系中心黑洞的模糊照片，但這個照片只是2.6萬年前的圖像，並不是這個黑洞形成過程的圖片。正因為我們不可能看到銀河系中心黑洞的形成過程，所以它到底是怎麼形成的，也許永遠是一個謎。

黑洞的旋轉加上磁場引起噴流

大部分黑洞周圍存在噴流，這些噴流是一些高能粒子與射線，射線指電磁波，它的波長分布很廣，當然也包括紅外線。HAWC 觀測到的就是來自銀河系中心黑洞噴流中的紅外線。

但是，黑洞噴流到底是怎麼形成的？這個問題到目前也沒有一個定論。科學界已經有了多種關於噴流形成的理論模型，這些模型有一個共識——噴流形成需要兩個要素：黑洞的轉動和磁場。

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黑洞一般是轉動的，轉動的黑洞可以用愛因斯坦場方程的「克爾解」來描述。當然了，「克爾解」描述的是「無毛」的理想黑洞，而一般在現實中的天文黑洞都是「有毛」的——黑洞周圍一般存在「噴流」。

由於黑洞旋轉會導致周圍的時空被拖曳著一起旋轉，沿黑洞周圍下落的物質就會在旋轉過程中形成吸積盤，這些吸積盤裡有很多高能帶電粒子。在旋轉的過程中，高能帶電粒子因為運動形成了電流，而電流會產生磁場（這就是初中物理中奧斯特發現的電流產生磁場的現象）。反過來，這些磁場又會影響黑洞周圍的帶電粒子的運動。

要描述這個過程，科學家既需要描述電磁場的麥克斯韋方程，還需要考慮描述流體運動的納維-斯托克斯方程（這個方程是最難解的偏微分方程），所以整個問題在理論上很難計算，只能用計算機來做模擬。

計算機模擬的結果也顯示，在旋轉的黑洞附近如果存在磁場，那麼噴流就會產生。

如何觀測黑洞的磁場

由上面的論述可知，對於黑洞噴流來說，磁場起到了關鍵的作用。

但黑洞往往距離地球很遠，所以近距離探測黑洞的磁場是不可能的。並且磁場的強度隨著距離的立方衰減，遙遠的距離使得在地球上用一個高斯計（一種磁感應強度測量器）去直接探測遠方黑洞的磁場變得絕無可能。

那麼，只能用間接的方法探測黑洞的磁場了。

我們知道，黑洞周圍存在一些高能電子。而電子是帶電的，所以它會受到黑洞周圍磁場的作用。在中學裡，很多人學過「洛倫茲力」的相關知識。一個電子在（均勻）磁場中會受到洛倫茲力而作圓周運動。如果磁場很強，而且電子的運動速度接近於光速，那麼這個電子就會發出所謂的「同步輻射」（沿切線方向發出的電磁波）。北京正負電子對撞機的軌道是一個圓，電子在裡面做圓周運動的時候就會發出同步輻射。

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同步輻射與黑體輻射一樣，都有很完善的理論描述，因此是一種很好的標準光源。黑洞周圍的高速電子受到磁場的作用，正在輻射出類似的「同步輻射」。

而且，有一個重要特徵是，同步輻射出來的光是偏振光。

什麼是偏振光呢？我們去看3D電影的時候，電影院會給我們發一副墨鏡，這個墨鏡的每一個鏡片就是一個偏振片——自然光經過偏振片以後就會變成偏振光。

具體來說，因為光是電磁波，所以它有一個電場。同時，光是一個橫波，其電場方向一定與傳播方向垂直。在觀測者看來，光的電場是一個矢量，這個矢量在與觀察方向垂直的平面內。而所謂的線偏振光，就是說這個電場矢量一直固定在同一個方向；而所謂的圓偏振光，電場矢量則可以在這個平面內旋轉。

在地球上觀測到的黑洞附近的紅外線，是電子在磁場中作同步輻射的時候發出來的，它具有偏振性質。

SOFIA的研究團隊在1.3毫米的遠紅外波長上獲得了一些觀測結果，發現這一波段的光是線性偏振的。通過這些偏振光就可以反推出黑洞附近的磁場信息了。結果表明，銀河系中心黑洞的磁場會將氣體物質引導到黑洞周圍的軌道上，而不是直接進入黑洞，這就阻止了黑洞「進食」，使得它相對於其他星系的黑洞來說，顯得溫和得多（沒有那麼強的高能輻射）。