【科幻科學報 No.643】生命的存在 黑洞的恩惠─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017科學小視窗 ■ 首次發現雙行星繞雙恆星
▌文／科科報編輯小組
美國聖地牙哥州立大學學者透過航太總署的喀卜勒太空望遠鏡，首次發現太陽系外有2顆行星環繞2個恆星運轉。
根據外電報導，這個命名為喀卜勒-47的星系位在距離地球5000光年的天鵝座，有至少2顆行星繞2顆恆星轉，兩顆行星公轉一周的時間分別是49.5天和303天，而這2顆恆星每7.5天也會繞對方轉1次。
去年科學家曾宣布首次發現同時環繞2個恆星運行的行星，這次則是首次發現雙行星繞雙恆星。
最ＩＮ話題 ■ 生命的存在 黑洞的恩惠
▌文／沙爾夫（Caleb Scharf）
▌譯／李沃龍
▌提供／科學人
我們生存在宇宙這一方微小角落的時間是非常短暫的，大自然完全無視於我們的需求，在廣闊無垠的時空尺度上揮灑其偉大的作為。或許我們唯一能寥以慰藉的，就是我們擁有對於居住地點提出質疑並尋求答案的無窮能力。我們存在的獨特環境，如何與統籌了眾多恆星、星系與黑洞的雄偉宇宙藍圖緊密連結，就是我們現在要問的問題之一。
有許多宇宙現象能影響生命的存在，但有些會比其他的重要一點，擁有獨特本質的黑洞就是其中之一，宇宙中沒有其他物體能比它更有效率地將物質轉變成能量；也只有它能像個極巨大的旋轉電池般，將物質以近乎光速彈射到數萬光年之外。黑洞誘捕周遭物質的能力同樣無與倫比——它們是宇宙裡最強大的終極食客，就像個大胃王似的，它們通常不會細嚼慢嚥，而是狼吞虎嚥地吞食物質。
墜入黑洞的物質並不會默不作聲。在接近事件視界時，它們會以極高的速度運動，若黑洞正在旋轉，它們更會在其周邊跟著超高速旋轉。一旦物質遭遇並撞擊擋在路徑上的任何東西，所釋放出來的巨大動能就可以轉化為原子與次原子粒子的運動，以及電磁輻射。由於這些粒子和光子在到達事件視界前便已產生，它們可以掙脫黑洞的控制，洶湧地奔回宇宙。浴缸裡嘈雜的排水過程可用來粗略比擬這個現象，當液體墜入排水管時，水會猛烈撞擊空氣分子，使得某些旋轉動能轉化成聲波。由於聲波速度比水快，它們可逃離排水孔。在巨型黑洞的狀況裡，這種事件驅趕出的能量會對周遭的星系造成廣泛的效應。
當天文學家談到物質被餵進超大質量黑洞的現象時，他們會說那是個「負載循環」，就像洗衣機的洗衣過程一樣，出現斷斷續續的晃動。黑洞負載循環的速率，代表了它吞食物質和靜止狀態之間往復變動的頻率。位在銀河系中心的超大質量黑洞目前雖然處於靜止狀態，但它也會不時啟動。天文學家推估銀河系中心黑洞的負載循環，恰好與星系的整體特質息息相關。它也對太陽系為何能夠支持生命的存在，提供了引人入勝的線索。
活躍於綠谷中
令人詫異的是，天文研究的結果指出巨型黑洞的負載循環與宿主星系多樣的恆星相關。將物質拋入黑洞，啟動其負載循環的動力學程序，也同時影響了居住在星系中的恆星種類；於負載循環高峰期時自閃耀黑洞傾瀉而出的能量，也使得這些恆星的組成更加豐富。這些組成是關於星系系統本質極其重要的線索。星系裡的恆星一般分為紅色、黃色或藍色；藍色的恆星通常質量最大，因此，它們也是最短命的恆星，其核子燃料會在短短的幾百萬年內燃燒殆盡。如果你在夜空中觀測到藍色恆星，代表你正在觀察年輕的恆星系統，與持續進行中的恆星生命徵象。
天文學家發現，如果把同一星系發出的星光加總起來，整體的顏色不是偏紅，就是偏藍。紅星系通常是橢圓星系，而藍星系往往是螺旋星系，處於此兩色群之間的則被認定為過渡時期的系統，可能因為其中年輕的藍色恆星相繼死去，而且沒有繼起的恆星取代，所以正朝向偏紅的路途演進。依據色彩混合的邏輯，天文學家稱此中間時期為「綠谷」。
在過去的10億年裡，最大的綠谷螺旋星系具有最高的黑洞負載循環，它們是當今宇宙中最規律成長並不斷嘎嘎作響的巨型黑洞之家。一個這種星系裡的恆星總共含有1000億太陽質量，並且如果你注視這種星系，比起其他種類的螺旋星系，你更有機會看見進食中黑洞的徵兆。每10個這種星系，就有一個星系包含了正在消耗物質的活躍黑洞，就宇宙而言，它們正不斷開啟、關閉。
星系處於綠谷中的狀態，與中心黑洞活動的物理連結，仍是個謎。這是個過渡時期，多數星系不是偏紅就是偏藍。綠谷中的系統正在經歷變動期，它甚至可能關閉恆星形成的管道。我們知道處在別種環境下的超大質量黑洞，例如在星系團裡及在年輕的大型星系中，也會出現這樣的效應。那有可能是因為它們的活動正在「綠化」星系，而導致星系轉型的同樣機制也可能會把物質餵進黑洞。
我們研究其他鄰近的星系時，確實發現了噴出最多能量的黑洞，會影響宿主星系廣達數千光年的證據。在某些情形下，物質被餵入黑洞所引發的猛烈紫外光與X光輻射，會向外推擠氣體形成熱氣，這些熱氣掃過星系的恆星形成區域時，就像炎熱天氣的鋒面籠罩整個鄉野一樣。這對於恆星與元素的產生，究竟有什麼具體衝擊，目前仍不清楚，但它確實是一股強大的力量。
相同地，觸發這類狂暴輸出的誘因，會對這些系統有更深遠的影響。例如，被更大星系的重力位能阱所捕獲的矮星系，在向內墜落時會激揚物質，並將這些物質注入黑洞。這就像煽動將滅之火的餘燼，以重新點亮它一樣，墜落的矮星系之重力與壓力效應，會降低或刺激較大系統的其他區域裡的恆星形成。這些現象有助於解釋為何超大質量黑洞的活動，與其周遭恆星的年齡（以致於顏色）大致相關。
值得注意的是，天文學家直到最近才理解到，銀河系正是這種非常大型的綠谷星系之一。也就是說，我們的超大質量黑洞應該處在一個快速的負載循環中，這真是令人驚訝的事，因為潛藏在我們星系中心的黑洞似乎並不怎麼活躍，事實上，科學家是透過觀察其對星系核心區域恆星軌道潛伏的效應，才讓它原形畢露。從這樣的觀測可知，它只有400萬太陽質量，身材相對嬌小。然而，根據我們對宇宙的調查，它應該是個非常忙碌的黑洞才對。
我們可以改編「北非諜影」中的經典台詞：在整個宇宙裡所有星系的所有地方中，我們可說是非得存在於此地不可。這當然令人感到懷疑：我們一向不認為在我們的星系裡，會住著一個特別飢餓的超大質量黑洞。
的確就在不久之前，事情的局面似乎完全不同。我們在距離星系中心300光年處，看到有星際雲氣反射X射線。從我們的角度看來，某個威力強大的大傢伙在300年前從星系的核心區域投擲出比今日強大100萬倍以上的X射線光芒。而在2010年時，美國哈佛大學的一個小研究團隊宣佈了一項令人矚目的發現：在星系內部有個在γ射線下看來微弱而巨大的結構。它散佈在太空中，外形就像是一對氣泡，各自向外延伸2萬5000光年而進入星系際空間。這些氣泡的基座根植於銀河系的正中心，且放出γ射線，它們可能是在過去10萬年裡黑洞成長與活動的指標。
各項證據累加後，便堆砌出一幅我們自家環境的清晰圖像。如果銀河系也遵守我們在數萬個其他星系中所觀察到的規律，則它必定含有一個經常攝取食物的黑洞。這黑洞不必然擁有最壯碩的身材，或在進食時能產生最多的能量，但它是個忙碌的天體，一個定居於銀河系的狂暴深淵。我們預期這部重力引擎，應該會隨時重新啟動。
黑洞與生命
很明顯的，銀河系與其中心黑洞屬於一個特殊的類型。在今日的宇宙裡，它擁有一個與眾不同的狀態，指出了在宇宙環境與地球上生命現象間的可能連結。科學家與哲學家有時會討論所謂的「人本原理」，「人本」（anthropic）這個字衍生自古希臘文，意為與人類或人類存在期間有關的事情。人本原理通常用來處理我們的宇宙是否恰好適合生命發生這個尷尬的問題。這項推論認為，一個宇宙只要有少數的基本物理定律或物理常數與現有的版本僅有些微差異，就無法產生生命，但我們至今無法解釋為何宇宙的物理參數是目前這樣，所以問題是：為什麼我們的宇宙竟如此適合生命？這種可能性不是非常低嗎？
就像許多科學家一樣，面對這些問題時，我會變得非常不舒服。我們下定決心要試著去除任何認為「我們很特殊」的偏見，正如同當年哥白尼倡議地球並不位居太陽系的中心一般，我們也並非宇宙的中心，更何況，現代宇宙學所描述的宇宙並不具備有意義的中心。但有些人本原理的推論，並無法輕易回應。對於賦予我們自身一個特殊狀態所產生的不舒適，有一個可能的解決方法，但它的前提是大自然可容許多重真實與多重宇宙的觀念與物理圖像。例如，倘若我們的宇宙只是眾多存在於更高維度的時空版本之一，那麼我們在此處生存就一點也不奇怪了。我們只是存在於一個具備了某些條件，可容許生命現象的宇宙而已，並沒有什麼特別之處，就只不過是座擁有適宜氣候的島嶼罷了。
這些都是令人愉快的事，但也讓我們進一步思考，究竟什麼樣的條件才容許生命在宇宙中發展？銀河系以及我們會不偏不倚落在超大質量黑洞活動上的最佳位置，實在是一件令人難以置信的事。這有可能並非單純的巧合，而第一個湧上心頭的問題是，大約2萬5000光年外的黑洞活動對周遭環境造成的物理後果，太陽系有沒有遭遇過？那會影響我們在星系邊緣處的行星發展生命的適宜性嗎？
當我們的中心黑洞啟動、攝食並噴發能量時，從我們的觀點看來，並沒有證據指出它會變得非常明亮。那對從星系盤延伸出來並閃耀著γ射線的巨大泡泡，當然代表著某些相當旺盛的能量輸出，但這些能量並未朝向我們而來。如果曾經發生過更激烈的事件，它們必然發生於遙遠的過去，甚至可能比45億年前太陽系的形成更早。自此之後，我們中心的龐然大物，對於位處星系邊緣上類似太陽系的恆星系統，似乎就只有和緩適中的物理作用。
就生命的觀點而言，這或許是件好事。一個像地球這樣的行星，會因周圍星際輻射大量增加，而被那些高能光子與疾速運動的粒子從側邊衝撞。輻射對生物分子有害，甚至可影響大氣與海洋的結構與化學成份。我們或許因為遠在星系中心2萬5000光年之外，而受到良好的保護，但如果我們住得稍近一點，可能會有不同的結局。我們並未住在離星系核心較近的行星上這件事，也許不是個巧合。同樣地，對我們存在於此刻，而非數十億年前或數十億年後，也不必太過訝異。
我們的星系就像許多其他星系一樣，是與中心黑洞一起演化的。的確，我們所尋找的線索，可能同時論及銀河系中心的黑洞如何影響地球上的生命，以及它如何扮演我們星系整體目前狀態的指標。超大質量黑洞與其星系間的連結，是我們用來判斷星系歷史的利器。在較年輕的宇宙中由黑洞提供動力的兇惡類星體，通常發生在最大型的橢圓星系中，大多坐落於星系團的核心區域，它們形成得比較早，過程迅速扎實；現在它們的恆星大多已經進入老年，而且其中的氣體都太熱而無法再生成恆星或行星。
其餘的橢圓星系則繁星錦簇，就像是個超巨大的蒲公英頭，似乎是在稍晚的年代裡才由星系合併而成。過程中有某個作用抑制了它們的恆星形成。我們認為，來自超大質量黑洞的能量輸出雖不那麼猛烈，但依然威力十足，最有可能扮演這個負責調控的角色。
擁有突出於星系盤上下、由中央恆星構成的核球的螺旋星系，同樣顯現出其演化歷史與中心黑洞關係匪淺的徵兆。它們追隨某些與橢圓星系相同的模式。在這兩種星系裡，中心黑洞的質量是其周遭恆星總質量的1/1000。我們的鄰居仙女座大星系就是屬於這種系統，它巨大的核球包藏了一顆質量比我們的還大20倍以上的黑洞。
更低一階的星系是無核球星系，許多螺旋星系都屬於這類系統。雖然銀河系幅員寬廣，算得上是已知宇宙裡最大的星系之一，但它卻只藏匿了一個相對較小的黑洞。缺乏核球的現象仍是個謎：可能因為一開始星系就沒有足夠的材質可形成核球，或者黑洞的調控從未真正啟動，又或是在演化路途上鮮少有小型星系與物質團塊墜入系統。
數量極其龐大的矮星系也缺少黑洞，星系動物園裡真正的矮子是群可憐的東西，它們通常只擁有數千萬顆恆星，氣體與塵埃的匱乏使它們無力製造新恆星。那些富含星際物質的系統通常很黯淡，缺少足夠的恆星，就像忘了把燈絲點燃起來一樣。
我們的星系仍以每年大約三個太陽質量的速率製造恆星，乍看之下並不算多，但這代表自我們的祖先在坦尚尼亞奧都維峽谷裡的某處開始直立行走以來，銀河系裡已誕生了至少1000萬顆新恆星。這對於年齡將近140億歲的宇宙而言，並不算差。在早期宇宙中的巨型星系，會從核心發出類星體的光芒，就某種意義而言，這些星系早已燃燒殆盡。它們的中心黑洞冒出令人厭煩的噴發，壓制了新恆星的形成；近乎光速運動的物質所構成的膨脹泡泡，引發了漣漪般的壓力波，阻止物質冷卻聚集成恆星系統。與此同時，銀河系依然邁著艱辛的步伐，持續前進。
最適合生命的地方
我們所居住的大型螺旋星系缺乏中央恆星核球，且擁有一個穠纖合度的中心黑洞，這或許暗示了最適合生命發展的星系型態：那些星系不會耗費時日建造巨大無比的黑洞，並抵擋在這個過程中如惡魔般的噴發事件。新恆星持續在類似我們這樣的星系中形成，但各個星系的效率不同。當循環流動的強大壓力波干擾了氣體與塵埃構成的星系盤時，大多數新恆星便在螺旋臂邊緣形成，或是誕生於離星系中心較遠的地方。因此天文學家說我們住在恆星形成率「適中」的區域。如果恆星形成非常活躍，會製造出異常凌亂的環境，大質量恆星會以很快的速度燒光其核子燃料，形成驚人的超新星爆發。行星的大氣會被炸掉，或被輻射改變其化學成份。快速運動的高能粒子與γ射線會轟擊其他星球的表面區域，甚至連恆星爆炸所釋放出如鬼魅般的微中子通量，都強烈得足以摧毀脆弱的生物。這些還只是溫和的效應，如果太靠近超新星，整個系統很可能會氣化消失。
但這些同時也是在恆星內部精煉成的豐富元素散佈到宇宙裡的管道，有了這些原料才得以製造恆星與行星。這些行星含有碳氫化合物與水組成的複雜化學混合物，具備層狀結構與動力，受到放射性同位素釋出的熱所攪拌，配上數十億年的地球物理機制運作。因此，介於年輕恆星形成與爆炸的場所之間，以及古老恆星的搖籃與墳墓之間，有個「正好如此」的地帶，而我們的太陽系就位居此種環境之中。它離星系中心夠遠，又不會太靠近正在形成中、既忙碌又容易爆發的恆星領域。
生命現象與超大質量黑洞的身材及活動之間的關聯，其實很簡單。富饒且溫和的星系地帶，極有可能發生在那些擁有大小適中、細嚼慢嚥且規律進食之黑洞的星系裡，而較不會發生在那些呵護著狼吞虎嚥但長久以來已精疲力竭之怪獸的場域。宇宙在這個時刻，存在著像銀河系這樣的星系，這件事情和物質的重力聚積，以及黑洞吞噬物質時噴發出的破壞性能量這兩道相反的程序，緊密地連結在一起。過於頻繁的黑洞活動，將使得恆星難以形成，重元素的生產也因而停止。黑洞活動太少，則環境裡將擠滿年輕、隨時會爆炸的恆星，或者因缺乏擾動而製造不出任何東西。的確，若平衡真的改變，則整個恆星與星系形成的途徑都會改變。
如果沒有星系與超大質量黑洞的共同演化，以及它們所進行的完美調控，則導致你我存在的整個過程都將有所不同，甚至根本不會發生。宇宙中的恆星總數將會不同；小質量與大質量的恆星數目將會不同；星系的形狀可能會不相同，而它們的氣體、塵埃與元素的組成也勢必不同。有些地方將永遠不會遭受超大質量黑洞所發出的同步輻射襲擊，也有些地方永遠遇不到那激發恆星誕生的意外事件。
這一方宇宙裡的肥沃角落，受到所有曾在其周遭發生的事件所支配，包括位居銀河系中心的黑洞之行為。那些封閉自己、與世隔絕的地方，是塑造宇宙最強勁的力量之一。我們的存在都得歸功於它們。
（本文原載於科學人2012年第127期9月號）
