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宇宙已經造出了幾乎所有恆星,黑洞是宇宙調光器。

http://finance.sina.com   2020年09月15日 18:38   北京新浪網

  新浪科技訊 北京時間9月16日消息,據國外媒體報道,我們的人類世界,沐浴在光芒下。首先,地球上有光照的那一面,每平方釐米每秒接收大約10萬億個光子,這些光子來自遙遠的天然巨型熱核反應堆——也就是我們所說的太陽的——外層。然後,也有光子在任何立方厘米的開放空間內四處遊走。有些是130億年前宇宙熱大爆炸時遺留下來的微波,另一些則是遙遠的恆星以及宇宙中各種各樣的天文物理現象產生的光子。

  我們周圍也充斥着來自地球的人工電磁輻射。我們這些溫暖柔軟的人類,本身就是行走着的強大紅外信標。我們神奇的化學新陳代謝可以將能量化作熱量散發出去,向環境輻射光子。如果你戴上一副可以感應電磁光譜中紅外波長的眼鏡,你會看到一個光芒四射的世界:這裏有你自己產生的光,有你的貓狗、寵物鸚鵡、甚至撲騰着翅膀的昆蟲身上那一丁點兒肌肉產生的光。

  但是,當我們把目光投向廣袤的宇宙中時,越來越明顯的是,我們這個充滿光芒的世界,在宇宙中似乎有點不尋常。最明晃晃的一個提示之一就是,每當太陽落山後,我們的世界就陷入一片黑暗。如果我們生活在一個真正的無限且永恆不變的宇宙中,那麼我們可能不管走到哪裏,一擡頭就可以看到滿天的星星,所有恆星無限堆疊以至於照理說應該任何地方都有光可見。

  有點矛盾,是不是?在宇宙學中,我們將其稱之爲“奧伯斯佯謬”,由德國天文學家奧伯斯於1823年提出。儘管奧伯斯本人努力想用數學方式解決這個長久以來的公認難題,然而他還是沒能夠爲“爲什麼宇宙大部分都是黑暗的”這個問題,提供一個很好的回答。最後,竟然是埃德加·愛倫·坡在1848年首次爲奧伯斯佯謬給出了看似合理的解釋。愛倫·坡的定性分析是,也許宇宙還太年輕,不足以讓整個天空充滿光芒。

  對奧伯斯佯謬的現代解釋有一些微妙之處,但實際上確是可以歸結爲以下事實:我們並不是生活在一個無限且永恆不變的宇宙中。宇宙不僅年齡有限,而且製造(具有有限壽命的)恆星的歷史也十分複雜,並且宇宙也在不斷擴張,進而稀釋了從遠方抵達我們周圍的光強度。因此,我們頭頂的蒼穹看起來亮得不太均勻,然後與我們生活的日常環境相比,大多數宇宙還尤其喜歡“吞噬”光子。

  但故事並沒有就此結束,因爲恆星的歷史中有一些奇怪之處。首先,這和恆星的實際形成有關。儘管我們對單個恆星或星團的形成的基本物理動因和過程已經具有(仍不完整但)自信的瞭解——始於引力凝聚和星際介質的坍縮,但是涉及到整個星系時,事情就比較棘手。

  過去三十多年的研究表明,大約在100億到110億年之前,整個宇宙中的“造星”活動曾達到過一次高峯。自此之後,雖然宇宙中依舊不時地會有新的恆星形成,但造星頻率已大不如前。基本上可以說,宇宙能製造的恆星——大約95%的恆星——差不多都已經造完了。未來,新誕生的恆星只會越來越少,期間偶爾還會發生星系合併或其他突發事件等。

  不過這裏邊仍有一個大疑問。究竟是什麼限制了宇宙所能製造的恆星數量?這也是一個經久不衰的天文討論話題,尤其是跟單個星系的恆星組成有關的話題,更是經常被提起。比如,我們當前的宇宙學範式(或者說大多數科學家認可的一種範式)是,我們生活在一個以暗物質爲主的宇宙中,而在這個以暗物質爲主的宇宙中,最大的星系應該是最近才形成的,由低等級的、引力推動而合併的小星系組成。但是,如果你仔細研究那些龐大的星系的話,你又會發現它們大多數是由更早的恆星組成,說明它們至少已經存在了很長時間。

  爲了解釋這一點,天文學家引入了“息產(quenching)”這個概念。在這個過程中,一些活動抑制或阻止了星系中新恆星的形成。不出所料,你需要一個十分強大的機制,才能夠以如此大的規模抑制或阻止造星活動,然後這背後嫌疑最大的因素是存在於大多數星系中心的超大質量黑洞。這些黑洞呢,會吞噬它們周圍的一切。當物質接近黑洞表面時,它們會以光子和粒子的形式釋放出能量。這種向外輻射的能量恰好將本可以漸漸冷卻並凝聚成新恆星的星際氣體吹遠吹散,從而抑制了新恆星的形成。

  當然,這個具體的過程我們還不是非常瞭解。但是有一個新的非常撩人的線索是,超大質量黑洞的質量似乎跟它們所在星系中恆星的總質量有關聯。這個線索十分令人驚訝,因爲即便是質量超過太陽質量十億倍的超大質量黑洞,它的體積也就跟一個太陽不相上下。所以就有可能,一個直徑數萬光年的星系,其實與其中心的那一個非常小的小點,關係密切。

  對此,有一個解釋是,這其中存在一種脈衝反饋機制。如果黑洞通過吞噬與形成新恆星相同的星際氣體而成長,那麼這個過程也會導致輻射出去的能量被黑洞本身吞噬,進而輻射出去又被吸回來的能量又會吹遠吹散使黑洞長大的星際氣體,同時也阻止了整個星系的造星活動。在這個機制下,黑洞的質量和星系中恆星的總數,在它們的整個生命週期中,始終處於同步增長的狀態。

  這也促成了黑洞的一個最奇怪的特徵。儘管宇宙是“單向運動的”——空間和時間向黑洞表面彎曲,任何東西都無法逃逸,但黑洞卻也可以爲宇宙中觀測到的某些最明亮和影響深遠的現象提供解釋。這些現象,反過來,或許極大地限制了宇宙內恆星數量;也對抑制宇宙中光芒的積累起到作用。有句老話說,沒有黑暗,就沒有光。對於宇宙而言,我們也可以這麼說:沒有光,就沒有黑暗。(勻琳)

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