“超大质量”天体

你知道吗？很多大的星系的中心都有一个黑暗的“暴君”。这一发现，是现代天文学研究的新成果。英国出版的《新科学家周刊》2000年第3期有篇题为《宇宙的主人》的载文，该文指出：虽然它的臣民们看不见这位“君主”，但是它却统占着伸展到数千光年以外的几十亿个“太阳系”，它在所有“太阳系”诞生之前就已存在，并且早就在帮助塑造它们的未来了。这些“暴君”就是黑洞，天文学家将它们称为“超大质量”天体。   　　自从天文学家于20世纪初预言黑洞的存在以来，人们陆陆续续地得到了各种证据，证明了宇宙中确实存在着黑洞。然而，对于这种无法以可见光看到的天体，人类的了解究竟达到什么程度？   　　如今，天文学家们正在开始怀疑是否已经在宇宙中留下了象征它们权威的标记。2000年年初，研究人员提出：巨大的黑洞是宇宙中所有星系萌生的“种子”，近来，天文学家发现了更多的支持这一观点的证据。   　　早在几十年前，天文学家就发现了类星体——位于遥远星系中央的高亮度的天体。类星体的亮度可以是环绕在它周围的星系的数百倍，但是它们的体积却比我们的太阳系还小。到底是什么东西可以从这么小的空间里发出这么多的光和辐射呢？——黑洞是一种可能性。   　　尽管人们对于黑洞吞噬光线的能力了解得更多一些，但是它们也可以成为灿烂光芒的发源地，被黑洞吞没的物质会在黑洞周围形成一个呈螺旋形运动的圆盘，而圆盘在剧烈的翻腾过程中所产生的摩擦会将默默的气体加热到白热状态。天文学家认为，这就是类星体发光的原因。   　　因此，当天文观测的结果开始证明更多的普通星系中央存在着黑洞时，天文学家自然会认为它们是能量已经耗尽的类星体。   　　1978年，在一个编号为M87的星系中，天文学家第一次捕捉到这样一团巨大的黑色物质。   　　1988年，美国密歇根大学的道格`里奇斯通和他的同事阿兰`德雷斯勒对螺旋形的安德洛墨达星系和椭圆形的小星系M32进行了观察，科学家们因而得出这样的结论：上述两个星系中一定存在着巨大的黑洞。果然，在几年的时间里，哈勃太空望远镜在我们附近的20多个星系里已经发现了巨大的黑洞存在的证据。其中的一个黑洞属于我们自己：银河系中心有一个质量相当于300万个太阳的黑洞。   　　那么，在星系的生命进程中，这些超大质量的黑洞扮演着什么样的角色呢？   　　在2000年1月的美国天文学会上，里奇斯通提出一个引起天文学家激烈争论的观点：黑洞可能首先是星系的缔造者。里奇斯通这一观点将传统的天体物理学整个颠倒了过来。宾夕法尼亚州立大学的戈登`加迈尔则指出：巨大的黑洞可能在时间刚刚诞生时就已经形成，而且它们一直都是在其周围形成的新星系萌生的“种子”。   　　星系为什么会需要这样的“种子”呢？早期的宇宙非常匀净。创世大爆炸残留下来的余辉表明，在早期的宇宙中，不同区域之间的密度差异非常小，不超过大约10万分之一。为了创造出我们今天看到的由星系和空间组成的宇宙，这些微小的密度差异一定被放大了许多倍。而且这一放大过程非常迅速。因为在创世大爆炸发生仅10亿年后星系就出现了。加迈尔指出：“这段时间对于宇宙完成从‘平滑’到‘粗糙’的演变过程来说并不算长。”为此他提出，巨大的黑洞在这一过程中可能扮演了引力种子的角色，黑洞将受到其引力作用的物质吸引到它的周围，这些物质又进一步演变形成恒星。换句话说，星系就这样诞生了。   　　与此同时，美国航天局新近建成的钱德拉χ射线观测站也给里奇斯通提供了一些支持其观点的证据。一个由天文学家组成的研究小组在《自然》杂志上发表了钱德拉望远镜的观测结果。研究小组负责人理查德`穆绍cí提出：新发现的“暗光天体”可能是非常遥远的类星体，它们发出的普通光线已经被星系间的气体吸收，因此只有χ射线穿过星际间气体到达了地球。它们可能是处于生机勃勃的青年时代的类星体，这时大多数星系都还没有形成。   　　但是，即使有证据表明黑洞并没有这么古老，它们也仍然有可能对星系的演变产生深远的影响。   　　大约在1998年，里奇斯通和德雷斯勒及多伦多大学的约翰`马里因安等十几位天文学家进行合作，以便将所有人们已知的关于邻近星系中黑洞的信息集中在一起。他们发现，位于星系中央的黑洞的体积总是大约相当于其周围的核球体积的1%。但是问题在于，核球部分的大小与星系中央的黑洞的大小为什么会有如此紧密的联系呢？   　　1988年，英国剑桥大学的马丁`里斯和乔`西尔克提出了他们对这种紧密联系的解释：年轻的类星体发出的辐射可能会推动带电粒子风吹到环绕在它周围的星系中去，随着黑洞吞噬的物质越来越多，其体积也在稳步增加，类星体因而会变得更亮，带电粒子风也会相应加强。最终，带电粒子风的强度大到足以克服星系引力的程度，这时它就会把所有的气体都吹走。随着黑洞的气体供应被切断，它会停止膨胀，而整个星系的扩张也会相应停止。西尔克和里奇斯通通过计算得出：黑洞的体积必须增加到与马戈里安提出的质量关系大致相当的程度才会停止增长。   　　在此之前，年轻的类星体可能还会对其周围的星系产生其他的影响。密歇根大学的里奇斯通指出：“在其生命最初的1亿年时间里，类星体可以控制其所在星系的能量输出。”在这一段时间里，类星体发出的所有辐射也许可以帮助引发恒星的形成，虽然这一变化过程相当复杂。   　　类星体也可能会搅动其所在的星系。它们会喷出带有强大的能量的高速物质，这种高速物质流可以席卷整个星系，从而产生对周围气体有压缩作用的冲击波。这种压缩也有可能对恒星的形成产生帮助作用。   　　最后，巨大的黑洞可能会改变其所在星系的形状。在20世纪70年代，牛津大学的詹姆斯`宾尼通过计算认为：大多数椭圆形星系的形状都非常奇怪，它的x轴、y轴、z轴中应该有一条较长，而另一条的长度则介于二者之间。椭圆形星系看上去可能有点像一粒西瓜籽，或者一个被压扁的橄榄球。   　　但是，后来的天文学观测表明，大多数椭圆形星系的形状要比宾尼描述的更为对称——就像M＆M巧克力豆一样是一个被压扁的球体。这是因为星系中央的黑洞扰乱了该星系恒星的运行轨道，从而使它们变得不稳定。因此，这个星系的形状很快就会变成更为稳定的扁球形。   　　事实上，我们很难相信黑洞会拥有上面提到的这些强大力量中的任何一种：比我们的太阳系还小的东西，却可以控制由数十亿颗恒星组成的巨大的宇宙区域，这种说法看起来仍然充满怪诞的色彩。   　　但根据路透社华盛顿电，关于黑洞的强大力量之说又有了新的证据。就在发布电文的当天，利用哈勃天文望远镜工作的天文学家公布了一张照片，从中可以看到宇宙中电子流的喷发。这股电子流像探照灯一样在宇宙中闪闪发光，其动力来源于吸力强大的黑洞。   　　这个看起来像宇宙探照灯光束的电子流实际上由几乎以光速从M87星系中心喷射出来的电子以及其他亚原子粒子组成。M87星系距离地球5000万光年，这股电子流自身的长度大约为5000光年。人们可以通过因特网看到这张最新发布的由哈勃望远镜拍摄的照片。   　　科学家发表的一份声明说，天文学家们早在1918年就知道了这股来自M87星系的奇特的电子喷射流，但是只有这张由哈勃望远镜在1998年拍摄并经过科学家们两年研究的照片揭示了这股电子流的来源。   　　天文学家们说，M87星系的中心隐藏着一个特大黑洞，它已经吞噬了相当于太阳质量20亿倍的物质。