超大质量黑洞探秘：剧烈活动胜过烈焰
2010年04月26日 14:48中国国家天文杂志 狂飙烈焰说黑洞——之三
Intense Activities Around Black Holes
文／萧耐园
导语：在超大质量黑洞的周围无不有剧烈的活动，其程度猛于狂飙、胜过烈焰。那么，这类剧烈的活动是怎样产生的呢？
超大质量黑洞的活动
超大质量黑洞产生的活动，首先是吸积周围的物质。由于它们的引力无比巨大，又蛰居于星系的中心，在它的周围物质密度极高，聚集着大量的恒星和星际物质(气体和尘埃)。这个无敌的巨无霸，以不可抗拒的态势，贪婪地拖拽物质，掉入它的万劫不复的陷阱。超大质量黑洞周围之所以发亮，发出从射电波直至γ射线的辐射，是因为向它们掉落的物质在进入它们的视界永久消失之前，受到压缩和吸引，产生极高的温度，于是发出了辐射。
天文学家发现，在年轻星系里中心黑洞的质量相对较小，而在较老星系里则随年龄增大而逐渐变重。这样看来，超大质量黑洞在寄主星系的整个一生中都在积累质量，而且没有任何征兆显示这种增大会结束。恒星和气体被从介质吸引进去，没有任何东西能够逃逸。它的增重就是这种只许物质进入视界，单向流动的结果。 但是，星系内的所有物质都有环绕中心的旋转，这就是说，受中心的超大质量黑洞垂直向下的力吸引的恒星和含尘气体，都有很大的侧向运动速度。即使中心的引力难以想象地巨大，还是不能把物质直接拉向中心。物质向中心以盘旋的方式掉落，在黑洞视界以外形成一个巨大而炽热的吸积盘，它环绕中心高速旋转。正是这个盘里物质极端的物理状态，产生了我们所观测到的活动现象。
哈勃空间望远镜为我们提供了直接的观测证据，支持关于超大质量黑洞持续不断地吸积物质，并在其周围形成一个吸积盘的推测。最雄辩的例子是环绕NGC 7052椭圆星系核旋转的尘埃盘。这个星系位于狐狸座，离地球1.91亿光年。它的结构在外貌上好像太空中巨大的轮轱，可能是远古星系的遗迹。它将在几十亿年的过程中逐渐地被黑洞吞噬。这个盘的光线，比起星系其余部分较红，因为尘埃能更多地吸收蓝光而让红光通过。日落时太阳变红也是一样的道理，因为这时阳光通过大气的路径加长了，大气中大量尘埃吸收(包括散射)的蓝光更多，传入我们视野的则是剩余的红光。盘中央显得特别明亮，这个亮斑是聚集在黑洞周围的恒星发出的光线累积造成的。事实上，这些恒星密集地禁锢在较小的空间内，包围着中心，正是表明附近一定隐藏着一个强大的引力源。否则它们就会四散而去，不至于形成图像里如此明显的恒星集中的亮点。 NGC 7052星系内有一个巨大的(直径3700光年)寒冷的气体和尘埃盘，这个盘的中心有一个质量估计为3亿太阳质量的超大质量黑洞。尘埃盘的暗黑部分是外围寒冷的区域，它向里延伸到超热的区域。引力压缩并加热气体，会在电磁波谱的各种波段产生辐射。左上的像是用地面望远镜拍摄的NGC 7052星系，方框区域相当于右下部的像(即中央尘埃盘)。
人们用计算机模拟了椭圆星系NGC 7052的活动。如果从NGC 7052星系的尘埃盘的平面上看这个尘埃盘的内部，将会看到炽热的、正在掉落的气体是怎样的状态。图中间的黑色圆斑表示中心天体，两侧离其大约10倍于太阳的半径，所以本图的范围约代表了NGC 7052星系尘埃盘广度的1/30万。不同的颜色表示当气体在接近中央视界时如何迅速地被加热，温度可以高至100万度直至10亿度。所以没有固态物质可以在这种状态下存在，而是都成为炽热而稀薄的等离子体。较外部的红色部分已经温度较低，表示翻腾的云团。物质下落时产生大量热量，这些热量并不直接散逸，而是导致气体的逆向运动，以致把一些等离子体沿盘的平面向后扫去。 在与盘平面垂直的方向上，形成上、下两个漏斗形的圆锥，圆锥的顶点正是中心黑洞。当炽热的压缩气体绕黑洞旋转时，产生的光线会无所阻挡地沿圆锥射出，但是在遇到翻腾着的物质时并非如此。这个效应类似于手电筒产生的直射光束：一个不透光的罩子防止光向旁侧泄漏，光线集中射向前方，哈勃空间望远镜已经观测到一些这类宇宙型“手电筒”。
超大质量黑洞引起的显著活动是喷流。前面我们列举的活动星系和类星体都有规模宏大的喷流。当前，关于物质如何喷射的确切机制还没有在细节上探究明白。但是有日益增多的证据表明，磁化等离子体在黑洞视界附近的绕转运动正是喷发的原因。星系核心的黑洞在高速自转(克尔黑洞)，它的自转轴的作用犹如一个稳定的方向舵，形成一只固定的陀螺仪，它的方向已先期决定了喷流的取向。喷流内的等离子体以极高的速度运动——典型速度达光速的99.99%。 现在天体物理学家以他们称为“B++”的机制来说明喷流的发射。这就是一个黑洞(B)，加(+)一个旋转的吸积盘，加(+)一个冻结在盘上并被它的旋转缠绕起来的磁场。吸积盘里的物质是超高温的等离子体，它们都被磁化了，物理学家称磁力线冻结在等离子体上，这些磁力线整体上或多或少地垂直于吸积盘。这些物质在高速旋转中向黑洞掉落。在下落过程中，这些等离子体不仅本身被压缩，同时也使磁场强度增加，而且越接近中心，绕黑洞旋转的速度也越来越快。于是冻结在物质上的磁力线被编成了辫子，而且越缠越紧，有些竟至断裂。这时会释放大量的能量。事实上，我们会经常遇到磁感线断裂释放能量的小型化版本，那就是太阳上的耀斑爆发。耀斑爆发是很复杂的过程，为了解释其主要观测特征，太阳物理学家们提出过多种理论模型，但仍不能说已经解决了所有问题。其中一种“磁感线再连接”的理论已被证实为比较成功。这个理论说：在日冕的不稳定磁场中既有封闭磁场又有开放磁场，当外面物质压缩磁场时，原来开放的磁感线彼此接近并发生断裂，进而重新连接，这样产生冲向色球和光球的高能粒子，而使它们突然增亮，形成耀斑。上世纪70年代，美国的“天空实验室”太阳观测卫星观测到一个完整的耀斑爆发过程，证实了这个理论。天体物理学家借鉴这个理论也能说明黑洞周围吸积盘上能量释放的过程，只不过这里的规模远大得多。 带电粒子只能像念珠似地沿磁感线流动，不能穿越它们。这样当密布于整个吸积盘上的磁力线转动时，便把丰富的带电粒子流高速地向外抛出，离开吸积盘。这些等离子体是从整个吸积盘上，而不是正好从黑洞本身被排斥出来。喷流形成的过程可能与人们通常所认为的情况不同，人们可能以为喷流是一股集中在黑洞上的相当狭窄的射束向外喷射，实则不然，喷流从接近中心的部分开始外溢时范围很宽，即遍及整个吸积盘，像一个张开的漏斗，张角可达60°，远大于任何人的预计。喷流是那么惊人，又异常巨大，从20世纪70年代早期以来，就自然地成了发现和识别超大质量黑洞的主要方法 超大质量黑洞的形成
关于遍布于整个宇宙的超大质量黑洞的起源，当前天文学家的看法是：其中一部分在宇宙早期已经形成，另一部分则在后来通过星系碰撞生成。
天体物理学家们提出了宇宙版的“先有鸡还是先有蛋”的问题：超大质量黑洞和它们寄居的星系，究竟是哪个出现在先？已有的观测证据似乎有利于黑洞先于星系：观测到类星体的数量在100亿年前达到峰值，这是宇宙的早期；另一方面，来自星系的光线要晚得多——在此之后的20亿至40亿年。可是，对类星体和对星系的测量都含有不确定性，没有人能肯定我们已观测的样本能代表全部类星体和全部星系，所以现有的论据并非最有说服力的。但是天文学家确实在他们能见到的最远处看到了类星体，而且它们中距离最远的(因而也是最早期的)往往又是宇宙中能量最大的天体：所以至少有一些超大质量黑洞一定存在于宇宙的开端。
那么宇宙为什么会有结构：超大质量黑洞在什么条件下成长？星系为什么形成？天文学家认识到，宇宙微波背景辐射的涨落可以反映宇宙物质密度的初始扰动，从而促进了宇宙中后来的质量凝聚。 宇宙微波背景辐射是刚刚诞生不久(在大爆炸之后38万年)的宇宙重要遗存——这相当于考察一位100岁老人诞生1天后的照片。美国宇航局于1989年发射了宇宙背景探测卫星(COBE卫星)，以高于1%的精度测量了宇宙微波背景辐射的温度。第一批观测发现辐射是各向同性的，更加灵敏的观测揭示了对于完全的各向同性有微小偏离，称为各向异性。在改正了地球、太阳、银河系、本星系群和本超星系团相对于普遍哈勃流的合成运动之后，COBE卫星的观测结果显示出在小角度范围内宇宙背景温度的起伏，精度达到万分之一度，这种起伏正是宇宙微波背景辐射的各向异性。
宇宙背景辐射的各向异性实在太重要了，为了深入探测它，美国宇航局又于2001年6月发射了威尔金森微波各向异性探测卫星(WMAP卫星)。卫星在3年内对整个天空开展巡天观测，对微波背景辐射制作清晰的测绘图，它能够分辨只及百万分之一度的温度起伏。这些温度细微起伏的图样，反映了宇宙早期大爆炸后不久宇宙中物质分布在密度上的起伏，能由此断定早期宇宙并非完全均匀。这些微波的起伏成了后来宇宙大尺度结构的种子，从这里产生了从单个星系到广度达几百万光年，包含几千个星系的超星系团。WMAP对整个天空探测的结果包含了宇宙初期物质和能量存在于宇宙空间的化石记录，这是在恒星和星系产生很久(约4亿年)之前留下来的。 在大爆炸之后宇宙演化的最初10亿年里，一定发生了许多变化过程，并把影响遗留到我们今天所见的宇宙结构。由不均匀宇宙微波背景辐射反映的密度起伏，如何最终凝聚成超大质量黑洞和星系，是正在深入地研究和热烈地争辩着的课题。这是科学中最重要的问题之一，涉及宇宙学的基本内容。现在有证据表明，这两大类主要天体——超大质量黑洞和星系——具有同时代的历史，虽然我们已经指出，至少前者中的某一些早在其它事物之前存在。那么它们是怎样产生的呢？
对WMAP探测结果的深入分析发现，宇宙微波背景辐射图像里的光线是偏振的。偏振是光的一种性质，它出现在WMAP的数据中，相当于大爆炸后4亿年，标志宇宙中第一批恒星释放能量时的特征。看来宇宙中第一批恒星在大爆炸后仅仅4亿年就已经点燃，这比原先的看法要早得多。当第一批恒星产生后，继续不断地产生新的恒星，终于集合成密集的星团(这种密集的星团只能是球状星团)，这些天体是今后进一步凝聚的原材料。随着时间的进程，这种集团的内部核心将会坍缩，原因在于它们的一些成员蒸发和随之而来的能量向星团周围晕的扩散。球状星团都有“蒸发”现象，正像恒星以热和光的形式辐射能量一样，星团也由于抛射出整个的恒星而失去能量。原因很简单：星团内的恒星处于不断的杂乱运动之中，它们在互相掠过时都获得加速，小质量恒星的加速度比大质量恒星的高，其中一些的速度会高到足以挣脱星团的引力束缚。星系晕可能就是球状星团的“蒸汽”。一旦有恒星从星团“蒸发”，为了达到新的平衡，剩下的大质量恒星就会互相靠拢，整个星团收缩。 但星团与恒星是根本不同的，恒星会开始热核反应来阻挡引力收缩，从而稳定下来，而星团则会把收缩能量又转变成动能，从而进一步增大恒星的速度，使得越来越多的恒星获得足够的能量逃脱出去。“蒸发”和核心部分的收缩都在加快，也就是说星团是不稳定的。星团的这种“蒸发”使它们的“温度”随着能量的丢失而升高(星团的“温度”可由恒星杂乱运动的平均速度来定义，正如气体的温度表征分子的平均随机速度一样)，星团的这种不稳定性会导致其核心的引力坍缩，引力坍缩的结果就是可能形成(较小的)黑洞。
暗物质也参与了作用。这时开始了小黑洞凝聚的过程。据估计，这样的一个天体一旦形成，它的质量每过4千万年左右便翻一番。在宇宙年龄的期间(137亿年)内，即使是普通的黑洞也能增长为具有10亿太阳质量的巨无霸。 球状星团中心的黑洞已经被观测到了。哈勃空间望远镜揭示了宇宙早期出现的这类场景。球状星团包含着古老的普通恒星，许多这类天体在120亿年前集结成团，成了最早的星系形成时代的真正的化石记录。哈勃空间望远镜观测到一个环绕仙女星系运动的球状星团G1，探测了它的动力学效应，识别出潜藏在其中心的一个2万太阳质量的黑洞。这个天体没有增长成为巨型天体，是由于其周围物质贫乏。可是它的许多“兄弟”可能处于更有利的环境，能够在宇宙由于膨胀变得物质稀薄之前就已经急剧地长大。球状星团G1由至少90万颗古老的恒星组成。它环绕17万光年之外的仙女星系的中心旋转。这个星团大约在120亿年前形成，总质量约1千万倍太阳质量。
看来这一情况是确切无疑的，即大多数星系与它们的超大质量黑洞是同时成长的。后者非但不是宇宙中的破坏性因素，反而正是它们所在结构的基本建设要素。 宇宙中星系的碰撞是很普遍的现象，较小的星系通过碰撞并合成较大的星系。这个过程造成了星系形态的多样性。
哈勃空间望远镜拍摄到相互作用星系对NGC 2207(左)和IC 2163。它们位于大犬座，离地球约1.14亿光年。图中可见在NGC 2207强大引力产生的潮汐力作用下，IC 2163的恒星和气体等物质已向右端冲去。IBM的研究人员对这两个星系的交会作了计算机模拟，表明IC 2163没有足够的能量从其对手的引力魔爪下挣脱出来，几十亿年后将并合成一个单一的、质量更大的星系。
还有一个著名的例子是触须星系(原NGC 4038／4039)，它位于南天的乌鸦座，离地球约6.3千万光年。这对长长的、明亮的“触须”因两个星系之间的引潮力而形成。其核心区域可见两个“斑点”，它们是两个原星系的核心，一条宽宽的尘埃带延伸在这两个核心之间。尘埃带上有1000多个明亮而年轻的星团，这种图像是迎头碰撞造成的。 NASA的钱德拉X射线天文台观测了一个蝴蝶形星系NGC 6240的核心，科学家认为这个星系是两个较小星系在大约3千万年前碰撞的产物，造成两个超大质量黑洞并存于一个星系之内。它是一个大质量的星暴星系，由于并合产生的扰动使得恒星的形成、演化和爆发以超常的高速率进行。在两个星系的交会中，大量尘埃和气体被驱赶到中央，这使得很难用光学望远镜看清它中心区域的深处。
但是，X射线能轻易地穿透厚重的幕障，反映出核心的景象。这张X射线像显示并合活动产生的热量把气体的温度提升到几百万度。图示核心内包含两个活动的超大质量黑洞(右下角的方框内)，明亮的X射线正是从环绕在它们周围的超高温吸积盘里发出的。这两个天体互相绕转，相距只不过3000光年。它们的轨道正在逐渐缩小，几亿年之后两个黑洞将并合成一个更大的黑洞，那时将发生强烈的辐射和引力波爆发。由此可见大质量星系内的超大质量黑洞是可以由于星系的并合而形成的。 我们知道，银河系与它的近邻仙女星系正在相互接近，有朝一日将发生碰撞。而据近来南京大学天文系郑兴武教授等人参与的国际小组对银河系质量的测定结果，显示这一碰撞将比人们原先预计的大为提前。在这次灾变的10亿至20亿年后，来自这两个星系的恒星将混和起来，达到形成单一的椭圆星系，它包含着原来相邻的星系内经历灾难和变迁而幸存的老年恒星。在银河系和仙女星系的中心各蕴含着一个质量分别为260万和1000万太阳质量的超大质量黑洞。那时，这两个黑洞将最终并合，而且还将在此过程中大量吸积物质，终于在这个新星系的核心产生一个质量高达1亿太阳质量的超大质量黑洞，并形成光辉灿烂的类星体。
(责任编辑：吴蕴豪)
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