星系“核动力”：藏身于星系核心的超大质量黑洞

□ 刘 茜

星系“核动力”：藏身于星系核心的超大质量黑洞

□ 刘 茜

巨大的星系被多个矮星系簇拥和绕转，而在其极端明亮的星系核心，一个超大质量黑洞正在吞噬着周围的气体和尘埃。周遭的一切物质都无法抗拒地朝着黑洞落下，在黑洞身边形成巨大的盘状结构。而在黑洞自转的两极方向，吸积盘上的物质被笔直地远远抛出，在远处的星系晕中吹出巨大的气泡。离得太近的恒星被撕成碎片，安全距离之外的恒星围绕着黑洞急速旋转，画出令人眼花缭乱的曲线，而这一切，都被包裹在外围的密集恒星和明亮气体中，难以为外界所窥探……

图1 目前发现的离我们最远的类星体ULAS J1120+0641（艺术家绘制的概念图，ESO/M. Kornmesser）

宇宙中的怪兽

这样一副壮丽的宇宙景观，其实直到大约30年前才正式进入天文学家的视野。在那之前，动辄上千万太阳质量的超大质量黑洞更像是一个只存在于理论中的怪兽：过于庞大的黑洞实在太具有破坏性，很难想象它周边的空间将会遭到怎样的肆虐，也无法把它容纳进在当时看来井然有序的星系-星系团-超星系团结构中去，因而并未得到天文学家的真正重视。

类星体的个性

前述这只怪兽之所以能够在宇宙图景中找到安身之处，有赖于一些来自可观测宇宙边缘的明亮灯塔。这些极其远、极其亮而又极其小的天体被称为“类星体”，我们现在已经熟知了它们的各种奇异特性：

1.它们的红移很大。

第一个被发现的类星体3C273的红移值是0.16，也就是说红移后的波长比原来的波长增加了16%；而迄今发现的最大红移达到了7.1，红移后的波长比原来的波长增加了7.1倍。根据哈勃定律，遥远天体的红移大小跟它们到地球的距离成正比，这意味着类星体们离我们非常遥远，少则几亿，多则上百亿光年。红移最大的ULAS J1120+0641，距离达到了惊人的288亿光年（宇宙的年龄约为138亿年，假如空间静止，那么光子飞过的最远距离是138亿光年。但大爆炸后空间一直在膨胀，所以光子通行的距离远远超过这个数字。目前对于可观测宇宙，也就是光子能够自由通行的宇宙，估计的半径大约是460亿光年），我们现在看到的，是它在129亿年前发出的光。

2.类星体们又非常地明亮。

即便是在这样的距离上，看上去依然像是银河系里一颗普通的暗弱恒星。由此计算，它们释放的能量相当于好几个“正常”的星系。

3.它们的体积还非常小。

因为观测发现，多数类星体在几天或者几周内就会发生光度的明显变化，最短的可以发生在一天之内，最长的变化周期也不超过20个月。而“光度改变”这个信息，在天体内的传播速度是不可能超过光速的，所以这些能量相当于好几个星系的天体，大小却和太阳系相差无几。

超大质量黑洞非破坏者而是建立者

现在，天文学家们已经知道，类星体们都是活动剧烈的年轻星系核，由中心的超大质量黑洞所驱动，贪婪地吞噬着周遭的物质，同时释放出惊人的能量。由于观测角度的不同，这一类超大质量黑洞及其寄主星系在人类的望远镜中呈现出各种不同的面貌：射电星系、赛弗特星系、超高亮度红外源、类星体、耀变体……它们各有各的观测特征，唯一的相同之处，就是这些强大的辐射源似乎都位于遥远的宇宙深处。换句话说，它们全都只存在于遥远的过去，因为我们所能接收到的来自它们的信息，无一例外是从几亿乃至上百亿光年外发出的。类星体和它的同类们，似乎只形成于宇宙还很年轻的时刻，特别是在宇宙形成后的10亿年～25亿年左右的这段时间里，诞生了一大批这样的天体。21世纪初，天文学家发现在早期的宇宙中分布着大约2亿个超大质量黑洞，它们产生了大爆炸以来宇宙中将近一半的辐射。看来，超大质量黑洞非但不是宇宙结构的破坏因素，还有可能在星系的形成中起到了重要的作用：它们巨大的引力完全可以触发凝聚机制，让周围的气体都在它附近聚集起来，成为后来演化为星系的巨大气体云，随后形成年轻而明亮的类星体。

吸积盘和喷流

这些庞然大物的“青春期骚动”，以无比狂暴的形式表现出来：年轻的星系中充满了尚未形成恒星的气体和尘埃，这些物质成为了黑洞的食粮，不断地被黑洞的引力撕扯和拉拽，随后向它落下。在下落的过程中，气体粒子由于黑洞的引力而不断加速，让气体的温度迅速升高。同时，落向黑洞的气体不断地损失角动量，这部分角动量不会凭空消失掉，而是在盘上向外传递，让吸积盘外侧的角动量增加，以最终达到与黑洞引力的平衡。角动量传递的效率限定着黑洞的成长上限——如果角动量不能成功地传递到盘的外围，那么一方面，盘内侧的物质运动速度将会太快和太热，不容易被黑洞吞下；另一方面，外侧的物质运动速度不足，也就无法形成吸积盘，不利于黑洞吸收物质。

图2 对一片正落向银心黑洞的气体云的轨迹模拟，气体云及其残骸的轨迹用红色线条表示，黑洞周围恒星的运动轨迹用蓝色线条表示（ESO/MPE/Marc Schartmann）

角动量的传递还有另外一个重要的意义。它和引力造成的加速一样，也会加热盘上的气体，让吸积盘最终达到极高的温度。黑洞本身是不发光的，正是围绕在它周围的这些被极端加热的气体，让类星体成为了宇宙中最明亮的辐射源之一。从类星体辐射的能量估计，向中心黑洞落下的气体最终会达到10亿度的高温，粒子的运动速度接近光速。它们都是强大的X射线源，有的甚至是剧烈的γ射线源，在高能波段的辐射远远超过可见光。

黑洞并不会吞噬掉向它落下的所有物质。在吸积盘的粒子中，有一部分会以喷流的形式从巨大黑洞的引力场中逃出来。喷流的主要成分是电子和铁、镍等重金属的原子核，它们携带着巨大的能量，运动的速度能与光速相比，所以被称为“相对论性喷流”，长度可以达到数百万光年。相对论性喷流是我们能“看到”类星体的主要原因。另外，在食粮过于充足的时候，大量的气体高速落向黑洞的视界，气体的密度自然也随之剧烈增加，在最终进入黑洞视界的瞬间，气体无比炽热和拥挤，以至于它们无法全部被黑洞吞下，其中很大一部分被猛烈地抛射出来。这种猛烈的抛射不像喷流那样纤细而准直，而是朝向四面八方，形成巨大的由等离子体构成的气泡，抛出的物质有时可以达到几千光年外的区域。这种“败家”的行为并不能持久，气泡也会在一段时间后消散，但这有可能是大多数超大质量黑洞都会经历的一个阶段。

黑洞“吃饱喝足”之后转为平静状态

黑洞的食量和能量是成正比的，只有那些“吃饱喝足”的超大质量黑洞，才能成为类星体，最亮的那些类星体平均每年大约要把10个太阳的质量转化为能量。当“食粮”消耗殆尽之后，星系中心的黑洞就蛰伏下来，等待下一个为它提供充分食粮的契机（通常是两个星系的并合对气体的搅动），再重返狂暴状态。

这正是在我们附近没有发现类星体的原因：随着时间的流逝，星系逐渐演化和成长，而星系中央的超大质量黑洞只有少数能保持继续活跃，绝大多数则慢慢平静下来，不再呈现几十亿、上百亿年前的狂暴面貌。它们藏身于星系的中心，与遥远的类星体表现得截然不同，以至于天文学家直到20世纪90年代才确信，在绝大多数星系的核心中，都存在着超大质量的黑洞。

黑洞与寄主星系的相互影响

图3 从M87的星系核喷出的长达5000光年的喷流（NASA and The Hubble Heritage Team ，STScI/AURA）

在这个从狂暴到平静的过程中，黑洞与它所存身的“寄主星系”之间，展开了一场对星际介质的争夺战。这在很大程度上影响了星系的演化：首先，星际的气体不光是黑洞的食粮，还是形成恒星的原料。黑洞掠夺了大量的气体，这无疑会抑制恒星的形成。其次，黑洞的喷流有效地搅动了寄主星系乃至附近其他年轻星系中的星际气体。在被搅动的区域，气体更容易凝聚和塌缩，形成新的大质量恒星，这又帮助了恒星的形成，产生所谓的“星暴星系”，也就是正在大规模诞生新恒星的星系。再次，黑洞辐射出的高能的γ射线光子会缓慢地加热星际的气体，这也会影响到星系的结构和形态。

在某种程度上，黑洞甚至可能还规定了星系中生命出现的位置。就拿我们的银河系来说，太阳不能离银心的黑洞太近，否则新生恒星的强烈辐射会摧毁任何生命诞生的可能；同时，它又不能离银心太远，否则在太阳诞生时就不可能获得足够的重元素来形成地球。

反过来，寄主星系也会影响中心的黑洞——天文学家发现，星系中的超新星爆发有助于更有效地把落进黑洞的角动量向外侧转移出来，而我们知道，角动量的转移能力决定了黑洞的成长上限。于是，星系与黑洞形成了一个能够自我调节的系统，一旦黑洞抢夺的气体过多，恒星的形成就会变得困难，超新星爆发也会随之变得稀少，让黑洞的角动量转移变得困难，于是，黑洞也就不能再抢夺更多的气体。

或许正是因为如此，在经过了充分的演化之后，星系中心的超大质量黑洞和寄主星系本身之间似乎存在着线性的关系：中心黑洞的质量越大，寄主星系的核球质量、星系光度和周围分布的暗物质质量也就成比例地越大。那些没有核球的矮星系和星团里只可能存在较小的黑洞，而具有核球的“正常”大星系里，超大质量黑洞通常都能达到几千万个太阳的质量。不过，我们的银河系却是一个明显的例外：银河系核心的黑洞表现得太平静，质量也太小，和星系本身的大小并不相称。

银河系中心的黑洞

图4 从位于半人马座的活动星系NGC 3783的中心黑洞的两极抛射出大量的物质（艺术家绘制的概念图）（ESO/M. Kornmesser）

银心的黑洞质量大约是400万个太阳质量，这是由银心周围的恒星质量和运动速度推算出来的。在银河系核心大约1光年直径的范围内，聚集了1000万颗恒星，其中运行半径最短的恒星，离中心的黑洞只有17光时的距离。它们以疯狂的高速旋转，最高的时速达到几百万千米，只需要十几年的时间就能围绕中心的黑洞运行一周（而我们的太阳围绕银心运行一周需要2.2亿年）。作为比较，总质量是银河系两倍的仙女座大星系，其核心埋藏的黑洞比银心的黑洞要大上10倍。银心的这个黑洞目前保持着相当的平静，并没有猛烈地吞噬周围的气体，但有证据表明，它曾经在大约200万年前有过一次喷发，导致过一轮恒星形成的高潮，喷出的喷流甚至点亮了几十万光年外的一个云团。天文学家推测，银心的黑洞还会在大约2亿年后被“激活”，让银河系变成一个星暴星系，而且这样的活跃和休眠周期大概每几亿年就会发生一次。

在大约30亿年后，银河系和仙女座大星系将会碰撞和并合，在漫长的绕转之后达到平衡，最终形成一个巨大的椭圆星系——这样的碰撞过程在宇宙中比比皆是，我们现在观测到的那些不规则星系，几乎都正处于碰撞后的变化过程中——在星系的碰撞过程中，恒星们并不会真的撞到一起，只会近距离的交错和互相吸引，但两个星系中心的巨大黑洞则必然将会结合到一起，形成一个巨大的中心天体。星系的并合将会猛烈地搅动星际介质，让它们成为黑洞的食粮，让星系中心的这个黑洞最终达到1亿个太阳的质量，同时引发星系中的恒星“婴儿潮”。到那时，如果这个星系里还有智慧生命存在的话，将会在几万光年的近距离上目睹到一个明亮而活跃的类星体照亮他们的夜空。只不过，太阳届时早已将地球烤干成一个大石球，人类恐怕是没有机会在地球上见证这一壮观的景象了。

（责任编辑 张长喜）