宇宙创造了几乎所有的恒星 黑洞是宇宙的调光器

2020-09-16 15:31 来源:新浪科技

据国外媒体报道,我们的人类世界沐浴在阳光之中。首先,地球被照亮的一面每秒钟接收大约10万亿光子。这些光子来自遥远的天然巨型热核反应堆——,也就是我们所说的太阳外层——。然后,有光子在任何立方厘米的开放空间中游荡。有些是130亿年前大爆炸遗留下来的微波,有些则是遥远恒星和宇宙中各种天体物理现象产生的光子。

我们也被来自地球的人造电磁辐射所包围。我们温暖而柔软的人类是行走的强有力的红外信标。我们神奇的化学代谢可以将能量转化为热量,并将光子辐射到环境中。如果你戴上一副可以感知电磁波谱中红外波长的眼镜,你会看到一个光芒四射的世界:有你自己发出的光,有你的猫狗、宠物鹦鹉发出的光,甚至还有扑翼昆虫身上的微小肌肉。

然而,当我们看着浩瀚的宇宙时,越来越明显的是,我们闪耀的世界在宇宙中似乎有点不寻常。最亮的暗示之一是,每当太阳下山,我们的世界就陷入黑暗。如果我们生活在一个真正无限和永恒的宇宙中,无论我们走到哪里,我们都可以看到眼冒金星,所有的星星都是无限堆叠的,所以光应该随处可见。

有点矛盾吧?在宇宙学中,我们称之为“奥尔勃斯佯谬”,它是由德国天文学家奥尔勃斯于1823年提出的。尽管奥尔勃斯本人努力试图用数学方法解决这个长期以来被公认的问题,但他仍未能为“为什么宇宙的大部分是黑暗的”这个问题提供一个好的答案。最后,埃德加爱伦坡在1848年第一次对奥尔勃斯悖论给出了合理的解释。爱伦坡的定性分析是,也许宇宙太年轻,不足以让整个天空充满光。

奥尔勃斯悖论的现代解释有一些微妙之处,但事实上它可以归因于这样一个事实,即我们不是生活在一个无限和永恒的宇宙中。宇宙不仅年龄有限,而且造星历史复杂(生命有限),宇宙不断膨胀,从而稀释了从远处到达我们的光强。所以我们上方的天空似乎并不是均匀发光的,然后和我们生活的日常环境相比,大部分宇宙特别喜欢“吞”光子。

但是故事并没有就此结束,因为明星的历史上有一些奇怪的事情。首先和恒星的实际形成有关。虽然我们对单个恒星或星团形成的基本物理动机和过程有(不完全但)自信的认识,——是从星际介质的引力凝聚和坍缩开始的,但是当涉及到整个星系时,事情就棘手了。

过去30年的研究表明,整个宇宙的“造星”活动在100亿到110亿年前达到高峰。此后,虽然宇宙中仍不时有新的恒星形成,但造星的频率不如以前。基本上可以说,宇宙能造出的恒星——,95%左右已经差不多造好了。未来新生恒星只会越来越少,偶尔会发生星系合并或者其他突发事件。

但是这里还有一个很大的疑问。是什么限制了宇宙可以制造的恒星数量?这也是一个经久不衰的天文学讨论话题,尤其是经常提到的与单个星系的恒星构成有关的话题。比如我们现在的宇宙学范式(或者说是大部分科学家认可的范式)是,我们生活在一个暗物质主导的宇宙中,而在这个暗物质主导的宇宙中,最大的星系应该是最近形成的,由低等级的小星系通过引力合并而成。但是,如果你仔细研究那些巨大的星系,你会发现它们大多数是由更早的恒星组成的,这意味着它们至少已经存在了很长时间。

为了解释这一点,天文学家引入了“淬火”的概念。在这个过程中,一些活动抑制或阻止了星系中新恒星的形成。不出所料,你需要一个非常强大的机制来抑制或阻止如此大规模的造星活动,而这背后最可疑的因素是存在于大多数星系中心的超大质量黑洞。这些黑洞会吞噬周围的一切。当物质接近黑洞表面时,它们以光子和粒子的形式释放能量。这种向外辐射的能量只是吹走了星际气体,这些气体可以逐渐冷却并凝结成新的恒星,从而抑制新恒星的形成。

当然具体过程我们也不太了解。但是有一个新的令人兴奋的线索,超大质量黑洞的质量似乎与它们星系中恒星的总质量有关。这个线索非常令人惊讶,因为即使是质量超过太阳十亿倍的超大质量黑洞,其大小也和太阳差不多。因此,有可能一个直径几万光年的星系,实际上与它中心的一个非常小的点有着密切的关系。

对此的一种解释是存在脉冲反馈机制。如果一个黑洞通过消耗与一颗新星相同的星际气体而成长,这个过程也会导致辐射的能量被黑洞本身吞噬,然后辐射并被吸走的能量会吹走使黑洞成长的星际气体,同时阻止整个星系的造星活动。在这种机制下,黑洞的质量和星系中恒星的总数在其整个生命周期中始终处于同步增长的状态。

这也促成了黑洞最奇怪的特征之一。虽然宇宙是“单向运动”的,空间和时间向黑洞表面弯曲,什么也逃不掉,但黑洞也可以为宇宙中观察到的一些最亮、影响最深远的现象提供解释。这些现象反过来可能会大大限制宇宙中恒星的数量;对宇宙中光的积累也有抑制作用。有句老话叫没有黑暗就没有光明。对于宇宙,我们也可以说,没有光,就没有黑暗。