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超级黑洞改写地球生命演化史

时间: 2021年04月16日 | 作者: Abraham Loeb | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
通常来说,太阳是唯一能对地球生命产生影响的光源。但SgrA*黑洞或许也在地球生命的演化中发挥了重要的作用。


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图片来源:Pixabay


银河系中心的黑洞射出的紫外线,或许影响了地球生命的演化。


撰文 | 亚伯拉罕·洛布(Abraham Loeb) 

翻译 | 赵剑琳


1939年,阿尔伯特·爱因斯坦在《数学年鉴》(Annals of Mathematics)上发表了一篇论文,宣称自然界中不存在黑洞。但仅仅25年后,马尔滕·施密特(Maarten Schmidt)发现了类星体——一种在遥远宇宙中极为明亮的光源。上世纪60年代中期,苏联的雅科夫·泽尔多维奇(Yakov Zel'dovich)和美国的埃德温·萨尔皮特(Edwin Salpeter)认为这种神秘的点状光源是正在吸收宿主星系气体的超大质量黑洞。当气体流入黑洞时,它会产生类似水槽排水时的涡流。在环绕着黑洞的最内层稳定圆形轨道(ISCO)上,气体会以接近光速的速度流动,气体之间的湍流粘性会让气体在摩擦中升温。


因此,黑洞的吸积盘会逐渐变得明亮,向外辐射接近其静止质量1/10的物质,产生的亮度甚至可能超过其宿主星系中全部恒星的总和。几十年后,天文学家发现几乎所有星系的中心都存在一个超大质量黑洞,它们通常保持着沉寂,只会零星地爆发,每次持续数千万年。


2020年,安德烈亚·盖兹(Andrea Ghez)和赖因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)因为证实了银河系中潜伏着一个处于沉寂状态的超大质量黑洞,而获得诺贝尔物理学奖。这个黑洞名为半人马座A*(缩写为SgrA*),质量相当于400万个太阳。它正处在休眠状态,散发出微弱的无线电波,目前的亮度只有它“进食”时期的十亿分之一。


虽然SgrA*目前很黯淡,但我们仍能基于一些线索判断出它一度极其耀眼。这并不令人惊讶,因为当气体云靠近银河系中心或者恒星进入SgrA*的视界(大约等于日地距离)10倍距离以内时,就会因为强大的潮汐力“面条化”,形成一条气体喷流,产生如同类星体的光芒。


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图片来源:Pixabay


SgrA*的轨道平面上存在着大量年轻恒星,这是证明SgrA*在最近的“进食”时期曾吸入大量气体云的确凿证据。由于SgrA*附近的恒星年龄还不到银河系年龄的百分之一,基于哥白尼原则(Copernican principle,观测的时刻并不特殊),围绕着SgrA*发生的大型气体云吸积过程必然已经发生过上百次。实际上,科学家已经观察到一对被称为费米气泡(Fermi bubbles)的大型热气团,正沿着银河系中心的旋转轴向外发散。这意味着SgrA*在最近一次气体云吸积过程中,可能促进了它们的扩张。理论计算显示,黑洞吸积过程除了扰乱大量的气体云外,单个恒星也会因为引力逐渐靠近黑洞,以每一万年为周期发生潮汐瓦解事件。当大量残骸被SgrA*吸入时,就会出现明亮的耀斑。


SgrA*爆发形成的耀斑会影响地球上的生命吗?原则上来说,会,因为耀斑会释放具有破坏性的X射线和紫外线。我与我之前的博士后约翰·福布斯(John Forbes)合作,在2018年证明了如果太阳系与银河中心的距离缩小到现在的1/10,SgrA*爆发产生的紫外线就能蒸发掉火星或地球的大气层。即使距离较远,紫外线依然会抑制复杂生命体的生长,就像在你频繁踩踏的草地上,小草难以生长。


以太阳系目前的位置来说,来自SgrA*的紫外线对于地球生命是安全的。不过,近期有研究指出,太阳在诞生初期可能非常靠近银河系中心,在“引力反推”的作用下,它才移动到了现在的位置。


按照这个理论,太阳曾近距离暴露在SgrA*的紫外线下,这可能已经对地球早期的复杂生命造成了伤害。这也能解释为什么在经过20亿年后,地球大气中的氧气浓度才升到如今的水平——或许直到那时,地球离SgrA*才足够远。最近,我正与马纳斯维·林加姆(Manasvi Lingam)合作,探究地球生命与太阳到银河系中心距离变化的潜在联系。


通常来说,太阳是唯一能对地球生命产生影响的光源。但SgrA*黑洞或许也在地球生命的演化中发挥了重要的作用。如果SgrA*和地球生命之间的联系得到确认,这个超大质量黑洞很可能为研究者带来另一个诺贝尔奖。


关于作者

亚伯拉罕·洛布是哈佛大学天文学系前主任,哈佛和史密森天体物理中心理论与计算研究所所长。