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黑洞似乎是最不适合任何潜在生命生存的家园

Paul m. sutter 是石溪大学和熨斗研究所的天体物理学家,《询问宇航员和太空无线电》的主持人,同时也是《你在宇宙中的位置》一书的作者,他将这篇文章贡献给了太空网的专家之声: 专栏与见解。

黑洞周围可能有生命吗?

画家眼中的黑洞(图片来源© NASA)

我们习惯性的认为在像太阳这样的环绕恒星运行的水星上可能存在生命的家园,但是一篇新的研究论文发现了一个新的潜在栖息地: 一颗岩石行星绕着一个快速旋转的超重黑洞的视界运行。

黑洞周围可能有生命吗?

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黑洞周围的奇异力量能够恰到好处地使行星升温,但是这有一个条件: 行星必须以接近光速的速度运行。

人类的栖息地

我们不知道宇宙中所有可能出现生命的地方,因为到目前为止只有一个例子: 人类。尽管科学家(以及科幻作家)喜欢思考生命形式的各种奇异性和可能性,但要认真研究外星人,我们最好的选择是以自己的环境为模板,寻找与在地球上发现的生命类似的生命。

由此可以得出两个非常宽泛的要求。 第一,像我们这样的生命需要液态水。水是宇宙中最常见的分子,由氢(在宇宙中含量丰富的第一号元素)和氧(像太阳这样的恒星内部聚变反应的副产品,也是非常普遍的)组成。但是这些水通常要么蒸发成等离子体(这对生命非常不利) ,要么被锁定在固态的冰状态(对生命也不太好)。

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液态物质很难获得,这需要温度适中的热量——因为过热时水会蒸发。我们只在两种地方找到了这种完美的平衡: 一个是所谓的“可居住区”恒星,在那条运行轨道上光线刚刚好输出;另一个地方是在我们太阳系外行星的某些卫星的冰壳下面,在那里潮汐加热会产生必要的能量。

但是只有原始的热量是不够的。生命是一个复杂的过程,它利用能量做一些有趣的事情(比如四处走动,吃东西和繁殖)。 所有这些过程都不是完全有效的,所以它们会产生废热。这些废热必须安全地排放到环境中,否则最终会面临恶梦般的温室情景——气温升高到无法控制的程度,并杀死任何刚刚诞生的生命。

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在地球上,我们把废热以红外线的形式排放到太空本身的真空中。这种能量来源和垃圾存放地之间的关系使得我们的家园星球上的生命得以繁荣,大概其他任何星球也有类似的设置。

温暖的怪物

乍一看,黑洞似乎是最不适合任何潜在生命生存的家园。因为黑洞是由纯粹的引力构成的物体,能够把任何靠近它们视界的东西都拉进来,永远阻止它们与宇宙的其他部分进一步接触,任何东西——甚至是光——都无法逃脱它们的引力魔掌。

黑洞本身并不发光ーー毕竟它们是黑色的ーー但是不可避免的引力也使得它们在整个宇宙中都是独一无二的。

弥漫在宇宙中的就是所谓的宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射是宇宙初生时遗留下来的辐射,只有38万岁。 到目前为止,它是整个宇宙中最大的辐射源,能够很轻易淹没所有的恒星和星系。 你之所以看不到它,是因为它主要位于电磁波谱的微波区域(故因此得名)。

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换句话说,宇宙微波背景辐射是冷的,温度仅比绝对零度高3度,但是当宇宙微波背景辐射落入黑洞时,它将变成蓝移,在极端重力的作用下,会撞击到越来越高的能量。 就在它进入事件视界之前,宇宙微波背景辐射可以获得很多的能量,这些能量使它转换成红外线,可见光,甚至紫外线的光谱。

换句话说,在黑洞附近,宇宙微波背景辐射停止变冷,并且会变得非常非常热。更重要的是,如果黑洞在旋转,它能够将光聚焦成一束狭窄的光束,使宇宙微波背景辐射在天空中看起来像一个类似太阳的单独的点。

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金发姑娘

所以如果你能够足够接近黑洞,你会发现自己非常温暖。如果你是一个行星,你也会发现这时冰将转化成液态水——海洋——一个潜在的生命家园。

但是为了让生命茁壮成长,它还需要一个散热器,这个散热器可以很容易地由黑洞本身提供。 在靠近黑洞的地方,引力扭曲扩大了事件视界的外观,使它膨胀得比你天真地想象的要大得多。

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距离黑洞足够近(比如说,在事件视界以上小于1% 的半径) ,热的让cmb 缩小到只填满一个小圆盘,而事件视界膨胀到覆盖了天空的40% 。 如果你的星球在旋转,那么你就有了一个“太阳”和一个“夜晚”ーー而生命拥有它所需要的一切。

但这个半径的轨道通常极不稳定,很容易一路掉进可怕的黑暗中。 一个研究小组在《天文物理期刊》发表了一份分析报告,希望探索这种情况,看看是否有任何方法可以稳定局势。

他们找到了解决的办法:如果黑洞很大,至少是太阳质量的1.6 × 108倍,并且可以快速旋转,那么它就会在事件视界上方形成一个“可居住区” 。在那里 cmb 光在光谱的紫外线部分达到峰值——很热,但并不可怕,再靠近一点,行星就会被极端的重力作用摧毁;而再远一点,宇宙微波背景辐射就会太冷。但是在那个狭窄的地带呢?就刚刚好。

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虽然这种情况是有可能的,但非常罕见。这颗行星必须以接近光速的速度绕轨道运行,经历数千倍的时间膨胀因子ーー也就是说,在那个世界上,每过一秒钟,我们的时间就会流逝一秒钟。而没有人知道,一颗行星是否能够找到一个离黑洞那么近而仍然存活下来的地方。

总而言之,这项工作表明,当谈及到潜在的生命家园时——包括发现一些宇宙中最可怕的环境,我们必须保持积极的心态。

作者: Paul Sutter

FY: 和光同尘

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