沒有光明就沒有黑暗:黑洞如何影響宇宙中的恆星數量?

  新浪科技訊 北京時間9月14日消息,據國外媒體報道,人類世界沐浴在「光明」之中。每一秒鐘,有10萬億個光子從太陽——一座天然的巨型熱核反應堆——的外層快速到達地球的白晝面,覆蓋每一寸表面。在宇宙的開放空間中,光子幾乎可以說無處不在,並且向四面八方永無休止地運動著。其中一些光子是130億年前宇宙大爆炸時產生的微波殘留,另一些則是遙遠恆星和散布在宇宙中的無數天體物理事件產生的光子。

  我們還沐浴在局部的人為電磁輻射中。我們自己溫暖且充滿水分的身體就是強大的紅外信標。在我們體內,奇特的化學代謝以熱量的形式釋放能量,將光子輻射到環境中。如果戴上對電磁波譜中紅外波長敏感的眼鏡,你會發現一個明亮的世界:不僅能看到自己發出的光,還能看到你的狗、貓、寵物鸚鵡等發出的光,甚至那些瘋狂拍打翅膀的昆蟲也會發光,儘管它們的肌肉很微小。

  然而,如果我們放眼宇宙,可能會發現這種「光飽和」的狀態有點不尋常。每當太陽落山,天空變暗的時候,我們眼前就會出現關於這一事實的一大線索。如果我們生活在一個無限且穩恆態的宇宙中,那麼在我們觀察的每個方向上,都應該有很多由恆星組成的星系;換言之,宇宙時空中均勻分佈著無數的發光星體,而且由於發光體的照度與距離的平方成反比,而一定距離上球殼內的發光體數量與距離的平方成正比,因此黑夜的天空應當是無限明亮的。

  這就是宇宙學中的「奧伯斯佯謬」,得名于德國天文學家海因里希·奧伯斯在1823年的研究。儘管奧伯斯在用數學方法描述這一謎題方面做得很不錯,但他自己卻沒能給出很好的答案,來解釋為什麼天球大部分時間都是黑暗的。對於奧伯斯佯謬,第一個在科學上給出合理解釋的是美國詩人兼作家埃德加·艾倫·坡,他在1848年定性地提出,宇宙可能只是還沒有老到足以讓天空充滿光。他認為,宇宙可能在空間上是無限的,但還沒有足夠的時間使恆星的光線——以光速傳播——到達空間中最遠的地方。

  對奧伯斯佯謬的現代解釋包含了一些很微妙的描述,但從根本上,這些描述主要歸結于這樣一個事實:我們並非生活在一個無窮無盡且一成不變的宇宙中。宇宙不僅年齡是有限的,還具有複雜的恆星形成歷史(這些恆星的壽命也是有限的),而且宇宙正在經歷的膨脹過程稀釋了從遙遠空間到達地球的光線強度。因此,在我們的眼睛看來,天球並不是均勻明亮的;與我們的日常環境相比,大部分的宇宙都缺乏光子。

  不過,故事並沒有就此結束,因為恆星的歷史中有一些奇怪的曲折,與恆星最初形成的實際過程有關。儘管我們對單個恆星或恆星群形成時的基本物理驅動因素和過程——從星際物質因引力而凝聚在一起到最終的崩塌——有了相當深厚的了解(雖然還不夠完善),但對於宇宙中所有星系中恆星總數量的問題,科學界似乎還沒有確切的認知。

  過去30年來的研究表明,宇宙中恆星的形成在大約100億到110億年前達到一個持續了相當時間的活躍高峰。自那個時代之後,雖然肯定有新的恆星在不斷產生,但產生的速度已大大降低。以至於宇宙中可能形成的恆星中絕大多數——大約95%——已經形成了。未來是新生恆星數量不斷減少的時代,隨著星系合併或其他觸發事件的發生,這些新生恆星偶爾會出現短暫波動。

  然而,還有另一個懸而未決的難題。究竟是什麼限制了宇宙已經產生和將會產生的恆星數量?長期以來,這個問題一直是天體物理學們激烈爭論的課題之一,尤其是與單個星系的恆星組成有密切的關係。例如,我們當前的宇宙範式(或至少是大多數科學家認可的範式)是我們生活在一個由暗物質主導的宇宙中,而在一個暗物質宇宙中,最大的星系應該都是最近形成的。在引力驅動下,不同規模的小型系統合併形成了這些星系。但是,如果你審視那些質量非常巨大的星系,會發現它們往往由更老的恆星組成,這表明它們已經在「老態龍鍾」的狀態下存在了很長時間。

  為了解釋這一點,天文學家提出了「猝滅」(quenching)的概念,即某些事物或過程會抑制或阻止星系中新恆星的形成。可以相見,在如此巨大的尺度上,你需要一個極其強大的機制來實現「猝滅」。其中,最為合理的候選者便是超大質量黑洞,這些存在於大多數星系核心的「怪物級」黑洞在吞噬物質時,會釋放出大量的光子和粒子,充滿其周圍的空間。這種向外的能量轉移可以輕鬆地將星際氣體吹走,否則這些氣體就會冷卻並聚集形成新的恆星。

  關於這一過程的具體細節,科學家還沒有完全了解。不過,一些新的線索表明,超大質量黑洞的質量似乎與它們所在星系中的恆星質量有關。這是相當令人震驚的發現,因為即使是一個質量為太陽10億倍的超大質量黑洞,其體積也只相當於我們的太陽系。因此,就算是一個跨越數萬光年的星系,其恆星數量可能實際與它中心那個極其微小的點密切相關。

  一種解釋是,宇宙中存在一種脈衝反饋系統。如果黑洞是通過吞噬流入的星際物質——新的恆星也由這些星際物質組成——來實現成長,那麼在吞噬過程中,可能就會觸發釋放能量的洪流,同時將星際物質推開,在整個星系中「猝滅」恆星的形成,從而使黑洞的質量與恆星的總數在整個星系歷史中保持同步增長。

  這就是黑洞最奇怪的特徵之一。在某種意義上,黑洞就像是宇宙中的「單行道」——空間和時間在黑洞的內部扭曲,一切事物在進入事件視界之後就不可能再逃出去。另一方面,黑洞也可以為可觀測宇宙中一些最明亮、影響最深遠的現象提供動力。這些現象反過來又可能在「猝滅」過程中發揮作用,從而極大地限制了宇宙中恆星的數量,進而減緩了宇宙中光的積累。有句老話說,沒有黑暗就沒有光明;對於宇宙,我們也可以很有依據地說,沒有光明就沒有黑暗。(任天)

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