黑洞：毀滅行星的巨獸，也可能是外星生命的搖籃

一個星系是否具備孕育宜居行星的條件，可能取決於該星系中心黑洞的旋轉方式。作為宇宙中最強大的天體之一，無線電類星體（radio quasar）其實是正在噴射高能粒子的旋轉黑洞。若靠得太近，你將被其引力吞噬，或是被周圍的高溫燒毀。但諷刺的是，研究黑洞及其噴流反而能幫助科學家找出宇宙中可能存在生命的區域。

身為天體物理學家，我花了二十年建立模型，研究黑洞如何旋轉、如何產生噴流，以及它們如何影響周圍的太空環境。黑洞是質量極大的天體，能利用引力將周圍物體吸入其中。活躍的黑洞周圍有個稱為「吸積盤」的扁平結構，由帶電的熾熱氣體組成。

吸積盤中的電漿來自星系更外圍的區域。當兩個星系碰撞合併時，氣體會被匯入合併區域的中心。部分氣體最終靠近新合併的黑洞，形成吸積盤。每個大質量星系的中心都存在一個超大質量黑洞。

黑洞及其吸積盤會旋轉，過程中會拖曳周圍的時空——這個概念令人難以想像且難以理解。但研究黑洞很重要，因為它們產生的巨大能量能影響整個星系。黑洞的能量強弱取決於多種因素，包括黑洞質量、旋轉速度，以及是否有大量物質落入其中。

星系合併會為最活躍的黑洞提供能量，但並非所有黑洞都靠合併氣體獲取能量。例如在螺旋星系中，落入中心的氣體較少，中央黑洞的能量也較低。黑洞產生能量的方式之一，是透過科學家稱為「噴流」的高能粒子束。黑洞會吸入周圍的磁場和高能粒子，當它旋轉時，磁場會扭曲成噴流，噴射出高能粒子。

磁場隨著黑洞旋轉而扭曲，儲存能量——就像你拉長並扭轉橡皮筋一樣。當你鬆開橡皮筋時，它會向前彈射。同樣地，磁場透過產生這些噴流來釋放能量。這些噴流可以加速或抑制星系中恆星的形成，具體取決於能量如何釋放到黑洞所在的星系中。

然而，有些黑洞的旋轉方向與周圍吸積盤相反，這種現象稱為「反向旋轉」。我和同事的研究表明，這是影響宇宙中最強大天體——無線電類星體行為的關鍵特徵。無線電類星體是黑洞的一個子類，能產生最強大的能量和噴流。

你可以把黑洞想像成一個旋轉的球體，吸積盤則是一個中心有洞的圓盤。黑洞位於中心洞中向一個方向旋轉，而吸積盤則向相反方向旋轉。這種反向旋轉迫使黑洞減速，最終轉向另一個方向，稱為「同向旋轉」。

由於噴流利用了黑洞的旋轉能量，因此只有當黑洞快速旋轉時，它們才會強大。從反向旋轉到同向旋轉的轉變至少需要1億年。許多最初反向旋轉的黑洞需要數十億年才能成為快速旋轉的同向旋轉黑洞。因此，這些黑洞在生命週期的早期和晚期都會產生強大的噴流，中間則有一段噴流微弱或根本不存在的時期。

當黑洞與吸積盤反向旋轉時，這種運動會產生強大的噴流，將周圍氣體中的分子推擠在一起，從而導致恆星形成。但後來，在同向旋轉時，噴流會傾斜。這種傾斜使噴流直接衝擊氣體，加熱氣體並抑制恆星形成。此外，噴流還會在整個星系中噴射X射線。宇宙X射線對生命有害，因為它們會損害有機組織。

為了讓生命蓬勃發展，它很可能需要一個具有宜居生態系統的行星，而充滿X射線的熾熱氣體雲中不存在這樣的行星。因此，天文學家可以尋找那些黑洞噴流沒有傾斜的星系。這個想法是理解宇宙中哪裡可能出現並發展出智慧生命的關鍵。

到2022年初，我建立了一個黑洞模型作為指南。它可以指出具有合適黑洞的環境，這些黑洞能產生最多行星而不會用X射線轟擊它們。在這樣的環境中，生命有可能充分發揮其潛力。這樣的條件存在於哪裡？答案是約110億年前星系合併的低密度環境中。

這些環境中的黑洞擁有強大的噴流，提高了恆星形成率，但它們從未經歷過同向旋轉時期的傾斜噴流。簡而言之，我的模型表明，理論上最先進的外星文明很可能出現在遙遠的過去，距離我們數十億光年之遙。