星系“核動(dòng)力”：藏身于星系核心的超大質(zhì)量黑洞

□ 劉 茜

星系“核動(dòng)力”：藏身于星系核心的超大質(zhì)量黑洞

□ 劉 茜

巨大的星系被多個(gè)矮星系簇?fù)砗屠@轉(zhuǎn)，而在其極端明亮的星系核心，一個(gè)超大質(zhì)量黑洞正在吞噬著周?chē)臍怏w和塵埃。周遭的一切物質(zhì)都無(wú)法抗拒地朝著黑洞落下，在黑洞身邊形成巨大的盤(pán)狀結(jié)構(gòu)。而在黑洞自轉(zhuǎn)的兩極方向，吸積盤(pán)上的物質(zhì)被筆直地遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋出，在遠(yuǎn)處的星系暈中吹出巨大的氣泡。離得太近的恒星被撕成碎片，安全距離之外的恒星圍繞著黑洞急速旋轉(zhuǎn)，畫(huà)出令人眼花繚亂的曲線，而這一切，都被包裹在外圍的密集恒星和明亮氣體中，難以為外界所窺探……

圖1 目前發(fā)現(xiàn)的離我們最遠(yuǎn)的類(lèi)星體ULAS J1120+0641（藝術(shù)家繪制的概念圖，ESO/M. Kornmesser）

宇宙中的怪獸

這樣一副壯麗的宇宙景觀，其實(shí)直到大約30年前才正式進(jìn)入天文學(xué)家的視野。在那之前，動(dòng)輒上千萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞更像是一個(gè)只存在于理論中的怪獸：過(guò)于龐大的黑洞實(shí)在太具有破壞性，很難想象它周邊的空間將會(huì)遭到怎樣的肆虐，也無(wú)法把它容納進(jìn)在當(dāng)時(shí)看來(lái)井然有序的星系-星系團(tuán)-超星系團(tuán)結(jié)構(gòu)中去，因而并未得到天文學(xué)家的真正重視。

類(lèi)星體的個(gè)性

前述這只怪獸之所以能夠在宇宙圖景中找到安身之處，有賴(lài)于一些來(lái)自可觀測(cè)宇宙邊緣的明亮燈塔。這些極其遠(yuǎn)、極其亮而又極其小的天體被稱(chēng)為“類(lèi)星體”，我們現(xiàn)在已經(jīng)熟知了它們的各種奇異特性：

1.它們的紅移很大。

第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的類(lèi)星體3C273的紅移值是0.16，也就是說(shuō)紅移后的波長(zhǎng)比原來(lái)的波長(zhǎng)增加了16%；而迄今發(fā)現(xiàn)的最大紅移達(dá)到了7.1，紅移后的波長(zhǎng)比原來(lái)的波長(zhǎng)增加了7.1倍。根據(jù)哈勃定律，遙遠(yuǎn)天體的紅移大小跟它們到地球的距離成正比，這意味著類(lèi)星體們離我們非常遙遠(yuǎn)，少則幾億，多則上百億光年。紅移最大的ULAS J1120+0641，距離達(dá)到了驚人的288億光年（宇宙的年齡約為138億年，假如空間靜止，那么光子飛過(guò)的最遠(yuǎn)距離是138億光年。但大爆炸后空間一直在膨脹，所以光子通行的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這個(gè)數(shù)字。目前對(duì)于可觀測(cè)宇宙，也就是光子能夠自由通行的宇宙，估計(jì)的半徑大約是460億光年），我們現(xiàn)在看到的，是它在129億年前發(fā)出的光。

2.類(lèi)星體們又非常地明亮。

即便是在這樣的距離上，看上去依然像是銀河系里一顆普通的暗弱恒星。由此計(jì)算，它們釋放的能量相當(dāng)于好幾個(gè)“正常”的星系。

3.它們的體積還非常小。

因?yàn)橛^測(cè)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)類(lèi)星體在幾天或者幾周內(nèi)就會(huì)發(fā)生光度的明顯變化，最短的可以發(fā)生在一天之內(nèi)，最長(zhǎng)的變化周期也不超過(guò)20個(gè)月。而“光度改變”這個(gè)信息，在天體內(nèi)的傳播速度是不可能超過(guò)光速的，所以這些能量相當(dāng)于好幾個(gè)星系的天體，大小卻和太陽(yáng)系相差無(wú)幾。

超大質(zhì)量黑洞非破壞者而是建立者

現(xiàn)在，天文學(xué)家們已經(jīng)知道，類(lèi)星體們都是活動(dòng)劇烈的年輕星系核，由中心的超大質(zhì)量黑洞所驅(qū)動(dòng)，貪婪地吞噬著周遭的物質(zhì)，同時(shí)釋放出驚人的能量。由于觀測(cè)角度的不同，這一類(lèi)超大質(zhì)量黑洞及其寄主星系在人類(lèi)的望遠(yuǎn)鏡中呈現(xiàn)出各種不同的面貌：射電星系、賽弗特星系、超高亮度紅外源、類(lèi)星體、耀變體……它們各有各的觀測(cè)特征，唯一的相同之處，就是這些強(qiáng)大的輻射源似乎都位于遙遠(yuǎn)的宇宙深處。換句話說(shuō)，它們?nèi)贾淮嬖谟谶b遠(yuǎn)的過(guò)去，因?yàn)槲覀兯芙邮盏降膩?lái)自它們的信息，無(wú)一例外是從幾億乃至上百億光年外發(fā)出的。類(lèi)星體和它的同類(lèi)們，似乎只形成于宇宙還很年輕的時(shí)刻，特別是在宇宙形成后的10億年～25億年左右的這段時(shí)間里，誕生了一大批這樣的天體。21世紀(jì)初，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)在早期的宇宙中分布著大約2億個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它們產(chǎn)生了大爆炸以來(lái)宇宙中將近一半的輻射?？磥?lái)，超大質(zhì)量黑洞非但不是宇宙結(jié)構(gòu)的破壞因素，還有可能在星系的形成中起到了重要的作用：它們巨大的引力完全可以觸發(fā)凝聚機(jī)制，讓周?chē)臍怏w都在它附近聚集起來(lái)，成為后來(lái)演化為星系的巨大氣體云，隨后形成年輕而明亮的類(lèi)星體。

吸積盤(pán)和噴流

這些龐然大物的“青春期騷動(dòng)”，以無(wú)比狂暴的形式表現(xiàn)出來(lái)：年輕的星系中充滿了尚未形成恒星的氣體和塵埃，這些物質(zhì)成為了黑洞的食糧，不斷地被黑洞的引力撕扯和拉拽，隨后向它落下。在下落的過(guò)程中，氣體粒子由于黑洞的引力而不斷加速，讓氣體的溫度迅速升高。同時(shí)，落向黑洞的氣體不斷地?fù)p失角動(dòng)量，這部分角動(dòng)量不會(huì)憑空消失掉，而是在盤(pán)上向外傳遞，讓吸積盤(pán)外側(cè)的角動(dòng)量增加，以最終達(dá)到與黑洞引力的平衡。角動(dòng)量傳遞的效率限定著黑洞的成長(zhǎng)上限——如果角動(dòng)量不能成功地傳遞到盤(pán)的外圍，那么一方面，盤(pán)內(nèi)側(cè)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度將會(huì)太快和太熱，不容易被黑洞吞下；另一方面，外側(cè)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度不足，也就無(wú)法形成吸積盤(pán)，不利于黑洞吸收物質(zhì)。

圖2 對(duì)一片正落向銀心黑洞的氣體云的軌跡模擬，氣體云及其殘骸的軌跡用紅色線條表示，黑洞周?chē)阈堑倪\(yùn)動(dòng)軌跡用藍(lán)色線條表示（ESO/MPE/Marc Schartmann）

角動(dòng)量的傳遞還有另外一個(gè)重要的意義。它和引力造成的加速一樣，也會(huì)加熱盤(pán)上的氣體，讓吸積盤(pán)最終達(dá)到極高的溫度。黑洞本身是不發(fā)光的，正是圍繞在它周?chē)倪@些被極端加熱的氣體，讓類(lèi)星體成為了宇宙中最明亮的輻射源之一。從類(lèi)星體輻射的能量估計(jì)，向中心黑洞落下的氣體最終會(huì)達(dá)到10億度的高溫，粒子的運(yùn)動(dòng)速度接近光速。它們都是強(qiáng)大的X射線源，有的甚至是劇烈的γ射線源，在高能波段的輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)可見(jiàn)光。

黑洞并不會(huì)吞噬掉向它落下的所有物質(zhì)。在吸積盤(pán)的粒子中，有一部分會(huì)以噴流的形式從巨大黑洞的引力場(chǎng)中逃出來(lái)。噴流的主要成分是電子和鐵、鎳等重金屬的原子核，它們攜帶著巨大的能量，運(yùn)動(dòng)的速度能與光速相比，所以被稱(chēng)為“相對(duì)論性噴流”，長(zhǎng)度可以達(dá)到數(shù)百萬(wàn)光年。相對(duì)論性噴流是我們能“看到”類(lèi)星體的主要原因。另外，在食糧過(guò)于充足的時(shí)候，大量的氣體高速落向黑洞的視界，氣體的密度自然也隨之劇烈增加，在最終進(jìn)入黑洞視界的瞬間，氣體無(wú)比熾熱和擁擠，以至于它們無(wú)法全部被黑洞吞下，其中很大一部分被猛烈地拋射出來(lái)。這種猛烈的拋射不像噴流那樣纖細(xì)而準(zhǔn)直，而是朝向四面八方，形成巨大的由等離子體構(gòu)成的氣泡，拋出的物質(zhì)有時(shí)可以達(dá)到幾千光年外的區(qū)域。這種“敗家”的行為并不能持久，氣泡也會(huì)在一段時(shí)間后消散，但這有可能是大多數(shù)超大質(zhì)量黑洞都會(huì)經(jīng)歷的一個(gè)階段。

黑洞“吃飽喝足”之后轉(zhuǎn)為平靜狀態(tài)

黑洞的食量和能量是成正比的，只有那些“吃飽喝足”的超大質(zhì)量黑洞，才能成為類(lèi)星體，最亮的那些類(lèi)星體平均每年大約要把10個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。當(dāng)“食糧”消耗殆盡之后，星系中心的黑洞就蟄伏下來(lái)，等待下一個(gè)為它提供充分食糧的契機(jī)（通常是兩個(gè)星系的并合對(duì)氣體的攪動(dòng)），再重返狂暴狀態(tài)。

這正是在我們附近沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類(lèi)星體的原因：隨著時(shí)間的流逝，星系逐漸演化和成長(zhǎng)，而星系中央的超大質(zhì)量黑洞只有少數(shù)能保持繼續(xù)活躍，絕大多數(shù)則慢慢平靜下來(lái)，不再呈現(xiàn)幾十億、上百億年前的狂暴面貌。它們藏身于星系的中心，與遙遠(yuǎn)的類(lèi)星體表現(xiàn)得截然不同，以至于天文學(xué)家直到20世紀(jì)90年代才確信，在絕大多數(shù)星系的核心中，都存在著超大質(zhì)量的黑洞。

黑洞與寄主星系的相互影響

圖3 從M87的星系核噴出的長(zhǎng)達(dá)5000光年的噴流（NASA and The Hubble Heritage Team ，STScI/AURA）

在這個(gè)從狂暴到平靜的過(guò)程中，黑洞與它所存身的“寄主星系”之間，展開(kāi)了一場(chǎng)對(duì)星際介質(zhì)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)。這在很大程度上影響了星系的演化：首先，星際的氣體不光是黑洞的食糧，還是形成恒星的原料。黑洞掠奪了大量的氣體，這無(wú)疑會(huì)抑制恒星的形成。其次，黑洞的噴流有效地?cái)噭?dòng)了寄主星系乃至附近其他年輕星系中的星際氣體。在被攪動(dòng)的區(qū)域，氣體更容易凝聚和塌縮，形成新的大質(zhì)量恒星，這又幫助了恒星的形成，產(chǎn)生所謂的“星暴星系”，也就是正在大規(guī)模誕生新恒星的星系。再次，黑洞輻射出的高能的γ射線光子會(huì)緩慢地加熱星際的氣體，這也會(huì)影響到星系的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

在某種程度上，黑洞甚至可能還規(guī)定了星系中生命出現(xiàn)的位置。就拿我們的銀河系來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)不能離銀心的黑洞太近，否則新生恒星的強(qiáng)烈輻射會(huì)摧毀任何生命誕生的可能；同時(shí)，它又不能離銀心太遠(yuǎn)，否則在太陽(yáng)誕生時(shí)就不可能獲得足夠的重元素來(lái)形成地球。

反過(guò)來(lái)，寄主星系也會(huì)影響中心的黑洞——天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，星系中的超新星爆發(fā)有助于更有效地把落進(jìn)黑洞的角動(dòng)量向外側(cè)轉(zhuǎn)移出來(lái)，而我們知道，角動(dòng)量的轉(zhuǎn)移能力決定了黑洞的成長(zhǎng)上限。于是，星系與黑洞形成了一個(gè)能夠自我調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，一旦黑洞搶奪的氣體過(guò)多，恒星的形成就會(huì)變得困難，超新星爆發(fā)也會(huì)隨之變得稀少，讓黑洞的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移變得困難，于是，黑洞也就不能再搶奪更多的氣體。

或許正是因?yàn)槿绱?，在?jīng)過(guò)了充分的演化之后，星系中心的超大質(zhì)量黑洞和寄主星系本身之間似乎存在著線性的關(guān)系：中心黑洞的質(zhì)量越大，寄主星系的核球質(zhì)量、星系光度和周?chē)植嫉陌滴镔|(zhì)質(zhì)量也就成比例地越大。那些沒(méi)有核球的矮星系和星團(tuán)里只可能存在較小的黑洞，而具有核球的“正?！贝笮窍道铮筚|(zhì)量黑洞通常都能達(dá)到幾千萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。不過(guò)，我們的銀河系卻是一個(gè)明顯的例外：銀河系核心的黑洞表現(xiàn)得太平靜，質(zhì)量也太小，和星系本身的大小并不相稱(chēng)。

銀河系中心的黑洞

圖4 從位于半人馬座的活動(dòng)星系NGC 3783的中心黑洞的兩極拋射出大量的物質(zhì)（藝術(shù)家繪制的概念圖）（ESO/M. Kornmesser）

銀心的黑洞質(zhì)量大約是400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，這是由銀心周?chē)暮阈琴|(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度推算出來(lái)的。在銀河系核心大約1光年直徑的范圍內(nèi)，聚集了1000萬(wàn)顆恒星，其中運(yùn)行半徑最短的恒星，離中心的黑洞只有17光時(shí)的距離。它們以瘋狂的高速旋轉(zhuǎn)，最高的時(shí)速達(dá)到幾百萬(wàn)千米，只需要十幾年的時(shí)間就能?chē)@中心的黑洞運(yùn)行一周（而我們的太陽(yáng)圍繞銀心運(yùn)行一周需要2.2億年）。作為比較，總質(zhì)量是銀河系兩倍的仙女座大星系，其核心埋藏的黑洞比銀心的黑洞要大上10倍。銀心的這個(gè)黑洞目前保持著相當(dāng)?shù)钠届o，并沒(méi)有猛烈地吞噬周?chē)臍怏w，但有證據(jù)表明，它曾經(jīng)在大約200萬(wàn)年前有過(guò)一次噴發(fā)，導(dǎo)致過(guò)一輪恒星形成的高潮，噴出的噴流甚至點(diǎn)亮了幾十萬(wàn)光年外的一個(gè)云團(tuán)。天文學(xué)家推測(cè)，銀心的黑洞還會(huì)在大約2億年后被“激活”，讓銀河系變成一個(gè)星暴星系，而且這樣的活躍和休眠周期大概每幾億年就會(huì)發(fā)生一次。

在大約30億年后，銀河系和仙女座大星系將會(huì)碰撞和并合，在漫長(zhǎng)的繞轉(zhuǎn)之后達(dá)到平衡，最終形成一個(gè)巨大的橢圓星系——這樣的碰撞過(guò)程在宇宙中比比皆是，我們現(xiàn)在觀測(cè)到的那些不規(guī)則星系，幾乎都正處于碰撞后的變化過(guò)程中——在星系的碰撞過(guò)程中，恒星們并不會(huì)真的撞到一起，只會(huì)近距離的交錯(cuò)和互相吸引，但兩個(gè)星系中心的巨大黑洞則必然將會(huì)結(jié)合到一起，形成一個(gè)巨大的中心天體。星系的并合將會(huì)猛烈地?cái)噭?dòng)星際介質(zhì)，讓它們成為黑洞的食糧，讓星系中心的這個(gè)黑洞最終達(dá)到1億個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，同時(shí)引發(fā)星系中的恒星“嬰兒潮”。到那時(shí)，如果這個(gè)星系里還有智慧生命存在的話，將會(huì)在幾萬(wàn)光年的近距離上目睹到一個(gè)明亮而活躍的類(lèi)星體照亮他們的夜空。只不過(guò)，太陽(yáng)屆時(shí)早已將地球烤干成一個(gè)大石球，人類(lèi)恐怕是沒(méi)有機(jī)會(huì)在地球上見(jiàn)證這一壯觀的景象了。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）