看黑洞如何孕育生命

2022年10月17日14:50:08 科學 1320

物理定律告訴我們,黑洞是生命的終點,任何生命體掉到黑洞中都會不復存在。但其實,黑洞更是生命的起點,如果沒有黑洞,也許生命並不會出現。

黑洞:星系的管理者

在星系的中心,我們通常都能找到質量可達太陽數百萬倍甚至更重的超大黑洞,如銀河系中心的黑洞「人馬座A* 」,它是太陽質量的400多萬倍。太陽具有強大的引力,八大行星在太陽的引力作用下圍繞其運行,形成了一個穩定的太陽系。質量如此巨大的「人馬座A*」的引力比太陽還要大得多,它吸引的不是行星,而是許多星體組成的星系。

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黑洞的周圍會慢慢形成一個龐大的星繫結構,銀河系就是在人馬座A*的引力下形成的。星系中心的黑洞也成為了維持整個星系運行穩定的關鍵,在它強大的引力作用下,各大星系包括其中的恆星系才能夠保持穩定運行。

銀河系的情況同樣如何,包括太陽系在內的所有恆星系都圍繞人馬座A*運動,只要這個黑洞保持穩定,那麼銀河系乃至太陽系就能持續且穩定地存在下去,為生命的誕生提供土壤。地球之所以能出現生命,得益於太陽系確實是一片「沃土」,因為中心黑洞人馬座A*實在是一個「溫柔」的黑洞。

黑洞的巨大引力會吸引周圍的所有物質,這些物質聚集在黑洞周圍快速旋轉,形成一個圓盤狀結構——吸積盤。吸積盤不斷向外輻射X射線和紫外線等電磁波,黑洞引力越大,吸積盤輻射的能量越大。幸運的是,人馬座A*在過去的許多年都十分「安靜」,吸積盤的亮度與其質量和引力大小並不相符。正因為人馬座A*如此穩定,地球生命才獲得了長久的演化和生存的時間。

黑洞:行星的塑造者

恆星系穩定存在還不夠,生命並不能生存在高溫的恆星中,只能生存在於與恆星距離適當的行星,這個條件黑洞也為生命準備好了。

科學家已經觀察到,黑洞至少有兩種塑造固態行星的方法。第一種是「聚沙成塔」,吸積盤在輻射出巨大能量的同時,還會「吐出」許多重元素。吸積盤的物質在快速旋轉的過程中會產生方向穩定的磁場,後來被吸引過來的物質與磁場相互吸引或排斥,有些物質被吸入黑洞;有些物質則被噴出黑洞,其中就包括硅酸鹽石墨鎳鐵等重元素,這些重元素正是組成行星的原料。黑洞噴出來的物質越飄越遠,隨著溫度的下降,這些物質逐漸凝結,一個個或大或小的行星就逐漸「堆」出來了。

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類星體從黑洞中被撞了出來

第二種是「破繭成蝶」,黑洞能將巨型氣態行星的「外套」脫掉,讓它變成與地球類似的固態行星,這樣,行星孕育生命的可能性就大大提高了。美國哈佛·史密斯森天體物理中心的天文學家曾分析過人馬座A*,他們認為,銀河系中心附近之所以存在許多的固態行星,正是因受到人馬座A*的影響。不過,距黑洞太近的行星遭受的輻射尤其強烈,而且由於黑洞附近恆星分布十分密集,這些行星還會受到恆星的引力干擾,甚至被甩出宜居帶,所以這裡的類地行星無法出現生命。但是,只要遠離了這些超大質量黑洞的影響,生命便也許能在此類行星上生根發芽。

黑洞:生命的孕育者

有了行星還不夠,宇宙環境並不一定適合生物生存,黑洞為生命創造了更適宜的環境。

宇宙剛剛誕生時,它比現今的體積小許多,而且整個空間充滿了足以破壞DNA和其它生命所需的基礎元素的宇宙射線,所有恆星和行星都無法逃開射線的襲擊。黑洞的出現扭轉了這一情況,隨著黑洞不斷增長,它們吞噬了一部分宇宙射線,使得威脅DNA分子的宇宙射線減弱,從而為生命形成和進化提供了機會。

黑洞不僅為生命的出現掃清了障礙,還為生命的出現提供了原料。宇宙誕生後花了大約38萬年的時間,溫度才冷卻到質子和電子足以形成氫原子的程度,在接下來的幾億年內,氫原子及其組成的氦原子等輕原子逐漸聚合形成了恆星與星系。高溫高壓的恆星中不斷發生核反應,生成更重的原子。當恆星中的能量耗盡後,就會坍縮成黑洞。黑洞形成後,會吸收周邊的星體繼續生長,可能形成幾百萬太陽質量的超大質量黑洞。這個過程中,恆星的各種原子和物質就集中到了黑洞中,一旦黑洞發生重大事件,比如兩個黑洞相撞,這些物質會被傳播到很遠的地方。

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黑洞「管理」著眾多星系

2019年,天文學家觀測到一起黑洞「撞車」事件,事故後,黑洞的一部分——類星體被撞了出來。類星體是超大質量黑洞因為吞噬大量物質、吸積盤發光發熱而形成的宇宙中最明亮的一類天體,它攜帶有大量物質和能量。在這起撞車事件中,科學家觀察到類星體的光用了35天飛了上億光年來到地球人類的觀測範圍;又過了40天,離開了人類的觀測範圍,飛向了宇宙的其他角落。整個過程中,類星體不斷向外輻射能量和噴發物質,如果這些物質被宜居帶中的某個小行星接收到,也許不用多久,新的生命就會在那裡萌芽。而46億年前,地球上的生命萌芽又是否來自黑洞呢?

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