没有光明就没有黑暗:黑洞如何影响宇宙中的恒星数量

2021/9/14 10:54:26 来源:新浪科技 作者:任天 责编:懒猫

北京时间 9 月 14 日消息,据国外媒体报道,人类世界沐浴在“光明”之中。每一秒钟,有 10 万亿个光子从太阳 —— 一座天然的巨型热核反应堆 —— 的外层快速到达地球的白昼面,覆盖每一寸表面。在宇宙的开放空间中,光子几乎可以说无处不在,并且向四面八方永无休止地运动着。其中一些光子是 130 亿年前宇宙大爆炸时产生的微波残留,另一些则是遥远恒星和散布在宇宙中的无数天体物理事件产生的光子。

我们还沐浴在局部的人为电磁辐射中。我们自己温暖且充满水分的身体就是强大的红外信标。在我们体内,奇特的化学代谢以热量的形式释放能量,将光子辐射到环境中。如果戴上对电磁波谱中红外波长敏感的眼镜,你会发现一个明亮的世界:不仅能看到自己发出的光,还能看到你的狗、猫、宠物鹦鹉等发出的光,甚至那些疯狂拍打翅膀的昆虫也会发光,尽管它们的肌肉很微小。

然而,如果我们放眼宇宙,可能会发现这种“光饱和”的状态有点不寻常。每当太阳落山,天空变暗的时候,我们眼前就会出现关于这一事实的一大线索。如果我们生活在一个无限且稳恒态的宇宙中,那么在我们观察的每个方向上,都应该有很多由恒星组成的星系;换言之,宇宙时空中均匀分布着无数的发光星体,而且由于发光体的照度与距离的平方成反比,而一定距离上球壳内的发光体数量与距离的平方成正比,因此黑夜的天空应当是无限明亮的。

这就是宇宙学中的“奥伯斯佯谬”,得名于德国天文学家海因里希・奥伯斯在 1823 年的研究。尽管奥伯斯在用数学方法描述这一谜题方面做得很不错,但他自己却没能给出很好的答案,来解释为什么天球大部分时间都是黑暗的。对于奥伯斯佯谬,第一个在科学上给出合理解释的是美国诗人兼作家埃德加・艾伦・坡,他在 1848 年定性地提出,宇宙可能只是还没有老到足以让天空充满光。他认为,宇宙可能在空间上是无限的,但还没有足够的时间使恒星的光线 —— 以光速传播 —— 到达空间中最远的地方。

对奥伯斯佯谬的现代解释包含了一些很微妙的描述,但从根本上,这些描述主要归结于这样一个事实:我们并非生活在一个无穷无尽且一成不变的宇宙中。宇宙不仅年龄是有限的,还具有复杂的恒星形成历史(这些恒星的寿命也是有限的),而且宇宙正在经历的膨胀过程稀释了从遥远空间到达地球的光线强度。因此,在我们的眼睛看来,天球并不是均匀明亮的;与我们的日常环境相比,大部分的宇宙都缺乏光子。

不过,故事并没有就此结束,因为恒星的历史中有一些奇怪的曲折,与恒星最初形成的实际过程有关。尽管我们对单个恒星或恒星群形成时的基本物理驱动因素和过程 —— 从星际物质因引力而凝聚在一起到最终的崩塌 —— 有了相当深厚的了解(虽然还不够完善),但对于宇宙中所有星系中恒星总数量的问题,科学界似乎还没有确切的认知。

过去 30 年来的研究表明,宇宙中恒星的形成在大约 100 亿到 110 亿年前达到一个持续了相当时间的活跃高峰。自那个时代之后,虽然肯定有新的恒星在不断产生,但产生的速度已大大降低。以至于宇宙中可能形成的恒星中绝大多数 —— 大约 95%—— 已经形成了。未来是新生恒星数量不断减少的时代,随着星系合并或其他触发事件的发生,这些新生恒星偶尔会出现短暂波动。

然而,还有另一个悬而未决的难题。究竟是什么限制了宇宙已经产生和将会产生的恒星数量?长期以来,这个问题一直是天体物理学们激烈争论的课题之一,尤其是与单个星系的恒星组成有密切的关系。例如,我们当前的宇宙范式(或至少是大多数科学家认可的范式)是我们生活在一个由暗物质主导的宇宙中,而在一个暗物质宇宙中,最大的星系应该都是最近形成的。在引力驱动下,不同规模的小型系统合并形成了这些星系。但是,如果你审视那些质量非常巨大的星系,会发现它们往往由更老的恒星组成,这表明它们已经在“老态龙钟”的状态下存在了很长时间。

为了解释这一点,天文学家提出了“猝灭”(quenching)的概念,即某些事物或过程会抑制或阻止星系中新恒星的形成。可以相见,在如此巨大的尺度上,你需要一个极其强大的机制来实现“猝灭”。其中,最为合理的候选者便是超大质量黑洞,这些存在于大多数星系核心的“怪物级”黑洞在吞噬物质时,会释放出大量的光子和粒子,充满其周围的空间。这种向外的能量转移可以轻松地将星际气体吹走,否则这些气体就会冷却并聚集形成新的恒星。

关于这一过程的具体细节,科学家还没有完全了解。不过,一些新的线索表明,超大质量黑洞的质量似乎与它们所在星系中的恒星质量有关。这是相当令人震惊的发现,因为即使是一个质量为太阳 10 亿倍的超大质量黑洞,其体积也只相当于我们的太阳系。因此,就算是一个跨越数万光年的星系,其恒星数量可能实际与它中心那个极其微小的点密切相关。

一种解释是,宇宙中存在一种脉冲反馈系统。如果黑洞是通过吞噬流入的星际物质 —— 新的恒星也由这些星际物质组成 —— 来实现成长,那么在吞噬过程中,可能就会触发释放能量的洪流,同时将星际物质推开,在整个星系中“猝灭”恒星的形成,从而使黑洞的质量与恒星的总数在整个星系历史中保持同步增长

这就是黑洞最奇怪的特征之一。在某种意义上,黑洞就像是宇宙中的“单行道”—— 空间和时间在黑洞的内部扭曲,一切事物在进入事件视界之后就不可能再逃出去。另一方面,黑洞也可以为可观测宇宙中一些最明亮、影响最深远的现象提供动力。这些现象反过来又可能在“猝灭”过程中发挥作用,从而极大地限制了宇宙中恒星的数量,进而减缓了宇宙中光的积累。有句老话说,没有黑暗就没有光明;对于宇宙,我们也可以很有依据地说,没有光明就没有黑暗。

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关键词:宇宙恒星

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