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黑洞是宇宙调光器

2020 / 09 / 16新浪科技
Tags 黑洞

9月16日消息,我们的人类世界,沐浴在光芒下。首先,地球上有光照的那一面,每平方厘米每秒接收大约10万亿个光子,这些光子来自遥远的天然巨型热核反应堆——也就是我们所说的太阳的——外层。然后,也有光子在任何立方厘米的开放空间内四处游走。有些是130亿年前宇宙热大爆炸时遗留下来的微波,另一些则是遥远的恒星以及宇宙中各种各样的天文物理现象产生的光子。

我们周围也充斥着来自地球的人工电磁辐射。我们这些温暖柔软的人类,本身就是行走着的强大红外信标。我们神奇的化学新陈代谢可以将能量化作热量散发出去,向环境辐射光子。如果你戴上一副可以感应电磁光谱中红外波长的眼镜,你会看到一个光芒四射的世界:这里有你自己产生的光,有你的猫狗、宠物鹦鹉、甚至扑腾着翅膀的昆虫身上那一丁点儿肌肉产生的光。

但是,当我们把目光投向广袤的宇宙中时,越来越明显的是,我们这个充满光芒的世界,在宇宙中似乎有点不寻常。最明晃晃的一个提示之一就是,每当太阳落山后,我们的世界就陷入一片黑暗。如果我们生活在一个真正的无限且永恒不变的宇宙中,那么我们可能不管走到哪里,一抬头就可以看到满天的星星,所有恒星无限堆叠以至于照理说应该任何地方都有光可见。

有点矛盾,是不是?在宇宙学中,我们将其称之为“奥伯斯佯谬”,由德国天文学家奥伯斯于1823年提出。尽管奥伯斯本人努力想用数学方式解决这个长久以来的公认难题,然而他还是没能够为“为什么宇宙大部分都是黑暗的”这个问题,提供一个很好的回答。最后,竟然是埃德加·爱伦·坡在1848年首次为奥伯斯佯谬给出了看似合理的解释。爱伦·坡的定性分析是,也许宇宙还太年轻,不足以让整个天空充满光芒。

对奥伯斯佯谬的现代解释有一些微妙之处,但实际上确是可以归结为以下事实:我们并不是生活在一个无限且永恒不变的宇宙中。宇宙不仅年龄有限,而且制造(具有有限寿命的)恒星的历史也十分复杂,并且宇宙也在不断扩张,进而稀释了从远方抵达我们周围的光强度。因此,我们头顶的苍穹看起来亮得不太均匀,然后与我们生活的日常环境相比,大多数宇宙还尤其喜欢“吞噬”光子。

但故事并没有就此结束,因为恒星的历史中有一些奇怪之处。首先,这和恒星的实际形成有关。尽管我们对单个恒星或星团的形成的基本物理动因和过程已经具有(仍不完整但)自信的了解——始于引力凝聚和星际介质的坍缩,但是涉及到整个星系时,事情就比较棘手。

过去三十多年的研究表明,大约在100亿到110亿年之前,整个宇宙中的“造星”活动曾达到过一次高峰。自此之后,虽然宇宙中依旧不时地会有新的恒星形成,但造星频率已大不如前。基本上可以说,宇宙能制造的恒星——大约95%的恒星——差不多都已经造完了。未来,新诞生的恒星只会越来越少,期间偶尔还会发生星系合并或其他突发事件等。

不过这里边仍有一个大疑问。究竟是什么限制了宇宙所能制造的恒星数量?这也是一个经久不衰的天文讨论话题,尤其是跟单个星系的恒星组成有关的话题,更是经常被提起。比如,我们当前的宇宙学范式(或者说大多数科学家认可的一种范式)是,我们生活在一个以暗物质为主的宇宙中,而在这个以暗物质为主的宇宙中,最大的星系应该是最近才形成的,由低等级的、引力推动而合并的小星系组成。但是,如果你仔细研究那些庞大的星系的话,你又会发现它们大多数是由更早的恒星组成,说明它们至少已经存在了很长时间。

为了解释这一点,天文学家引入了“息产(quenching)”这个概念。在这个过程中,一些活动抑制或阻止了星系中新恒星的形成。不出所料,你需要一个十分强大的机制,才能够以如此大的规模抑制或阻止造星活动,然后这背后嫌疑最大的因素是存在于大多数星系中心的超大质量黑洞。这些黑洞呢,会吞噬它们周围的一切。当物质接近黑洞表面时,它们会以光子和粒子的形式释放出能量。这种向外辐射的能量恰好将本可以渐渐冷却并凝聚成新恒星的星际气体吹远吹散,从而抑制了新恒星的形成。

当然,这个具体的过程我们还不是非常了解。但是有一个新的非常撩人的线索是,超大质量黑洞的质量似乎跟它们所在星系中恒星的总质量有关联。这个线索十分令人惊讶,因为即便是质量超过太阳质量十亿倍的超大质量黑洞,它的体积也就跟一个太阳不相上下。所以就有可能,一个直径数万光年的星系,其实与其中心的那一个非常小的小点,关系密切。

对此,有一个解释是,这其中存在一种脉冲反馈机制。如果黑洞通过吞噬与形成新恒星相同的星际气体而成长,那么这个过程也会导致辐射出去的能量被黑洞本身吞噬,进而辐射出去又被吸回来的能量又会吹远吹散使黑洞长大的星际气体,同时也阻止了整个星系的造星活动。在这个机制下,黑洞的质量和星系中恒星的总数,在它们的整个生命周期中,始终处于同步增长的状态。

这也促成了黑洞的一个最奇怪的特征。尽管宇宙是“单向运动的”——空间和时间向黑洞表面弯曲,任何东西都无法逃逸,但黑洞却也可以为宇宙中观测到的某些最明亮和影响深远的现象提供解释。这些现象,反过来,或许极大地限制了宇宙内恒星数量;也对抑制宇宙中光芒的积累起到作用。有句老话说,没有黑暗,就没有光。对于宇宙而言,我们也可以这么说:没有光,就没有黑暗。