黑洞可以帮助生命繁荣 而不是终结它们

黑洞可能并不像我们想象的那样毁灭生命。一项令人惊讶的研究显示，活跃星系核（AGN）——能量阶段的超大质量黑洞发出的强大辐射实际上可能有助于保护附近行星上的生命。

活跃星系核发出的辐射通常被视为致命的，但实际上可能有助于生命繁衍生息——通过增强富氧大气中的保护性臭氧，使行星更具弹性。图片来源：NOIRLab/NSF/AURA/J. daSilva/M. Zamani

这种辐射会触发氧气含量丰富的大气中的臭氧形成，从而屏蔽有害射线，形成一个反馈回路，使生命更具弹性。该项目的顺利完成得益于一次游轮上的偶然相遇、尖端模拟以及达特茅斯大学和埃克塞特大学天体物理学家之间的合作。

包括我们银河系在内的大多数大型星系的中心都有一个超大质量黑洞。星际气体定期落入这些无底深渊的轨道，使黑洞进入活跃星系核 (AGN) 模式，向整个星系发射高能辐射。

这种环境不会让植物或动物茁壮成长。但在《天体物理学杂志》上发表的一项令人惊讶的新研究中，达特茅斯学院和埃克塞特大学的研究人员表明，活动星系核辐射对生命具有矛盾的滋养作用。它不但不会毁灭一个物种，反而可以帮助确保其成功。

这项研究可能是首次通过计算机模拟具体测量活动星系核的紫外线辐射如何改变行星大气，从而帮助或阻碍生命存在的研究。与研究太阳辐射影响的研究一致，研究人员发现，好处（或坏处）取决于行星与辐射源的距离，以及生命是否已经站稳脚跟。

“一旦生命存在，并让大气充满氧气，辐射的破坏性就会降低，甚至可能是一件好事，”这项研究的主要作者肯德尔·西皮 (Kendall Sippy) 说道。“一旦跨过这座桥梁，地球就会变得更能抵御紫外线辐射，并免受潜在的灭绝事件的影响。”

研究人员不仅模拟了活动星系核辐射对地球的影响，还模拟了不同大气成分的类地行星的影响。他们发现，如果氧气已经存在，辐射会引发化学反应，导致行星的保护性臭氧层增长。大气含氧量越高，影响就越大。

高能光能与氧气发生反应，将分子分裂成单个原子，然后重新结合形成臭氧。随着臭氧在高层大气中积聚，它会将越来越多的危险辐射反射回太空。地球的宜人气候要归功于大约 20 亿年前第一批产氧微生物出现的类似过程。

太阳辐射帮助地球上的新生生命为大气提供氧气，并增加臭氧。随着地球的保护性臭氧层变厚，生命得以蓬勃发展，产生了更多的氧气，也产生了更多的臭氧。根据盖亚假说，这些有益的反馈回路使复杂的生命得以出现。

“如果生命能够迅速为行星大气补充氧气，臭氧就能帮助调节大气，为生命生长提供有利条件，”研究报告的共同作者、维多利亚大学博士后杰克·伊格纳什 (Jake Eager-Nash) 表示。“如果没有气候调节反馈机制，生命可能会很快消亡。”

现实生活中，地球距离其所在的黑洞人马座 A 不够近，即使在活动星系核模式下也感受不到其影响。但研究人员想看看，如果地球距离假想的活动星系核更近，从而受到数十亿倍的辐射，会发生什么。

他们重现了太古代地球的无氧大气层，发现辐射几乎会阻止生命的发展。但随着氧气含量上升，接近现代水平，地球的臭氧层将增长并保护地面免受危险辐射的伤害。

“以目前的氧气水平，这可能需要几天时间，希望这意味着生命能够存活下来，”伊格纳什说。“我们对臭氧水平反应如此之快感到惊讶。”

当他们观察一个较老星系中类似地球的行星会发生什么情况时，他们发现了一幅截然不同的画面，恒星聚集在靠近活动星系核的地方。在像 NGC 1277 这样的“红块遗迹”星系中，这种影响将是致命的。像梅西耶 87 或我们的螺旋银河系这样的椭圆形星系中的恒星分布得更远，因此距离活动星系核的危险辐射更远。

西皮来到达特茅斯时对黑洞有着浓厚的兴趣，第二学期结束时，他加入了物理和天文系教授兼系主任瑞安·希科克斯 (Ryan Hickox) 的实验室。后来，在讨论一个关于活动星系核辐射的潜在大四项目时，命运介入了。

2023 年，希科克斯前往英国休假，他预订了玛丽皇后 2 号之旅，以便可以带上他的狗本杰明。在船上，他与来自埃克塞特的天体物理学家内森·梅恩 (Nathan Mayne) 聊天，后者是船上的客座演讲者。他们很快意识到他们对辐射有着共同的兴趣，梅恩用来模拟系外行星大气中太阳辐射的 PALEO 软件可以应用于 AGN 更强大的射线。

这次相遇为西皮与当时在梅恩实验室读博士的伊格-纳什的合作铺平了道路。他们使用编程语言 Julia，将类地行星上氧气和其他大气气体的初始浓度输入到他们的模型中。

“它模拟了可能发生的每种化学反应，”西皮说，“它返回了不同波长的辐射量以及不同时间点模型大气中每种气体的浓度的图表。”

他们在含氧大气中发现的反馈回路是意料之外的。“我们的合作者不研究黑洞辐射，所以他们不熟悉黑洞的光谱，也不知道 AGN 的亮度会比恒星高多少（取决于距离恒星有多近），”希科克斯说。

如果没有两个实验室的缘分，这个项目可能永远不会实现。“这种洞察力只有通过结合不同的专业知识才能真正获得，”他补充道。

从达特茅斯学院毕业后，西皮前往明德学院，在麦金利·布鲁姆巴克 (McKinley Brumback) 的实验室担任学士后研究员，瓜里尼博士 (20 年)。布鲁姆巴克曾在希科克斯的实验室攻读博士学位，现在是明德学院的物理学助理教授，研究吸积中子星X 射线双星。

她为该项目带来了独特的视角。在她研究的 X 射线双星中，中子星从普通恒星中吸走物质，导致坠落的物质升温并发射 X 射线。

虽然 AGN 可能需要数百万年才能在活跃状态和非活跃状态之间切换，但 X 射线双星只需几天到几个月的时间就能发生变化。“许多适用于 AGN 的物理原理也适用于 X 射线双星，但时间尺度比 AGN 要快得多，”她说。布鲁姆巴克参与了 AGN 的分析，并担任“稍微远离的读者”，以确保非专家也能读懂这篇论文，她说。

“感谢 Kendall 的精彩写作，这绝对是！”

编译自/ScitechDaily