星系中的怪物

skystar

60年代，是太阳质量10^6 至10^9.5 倍的黑洞首次被用来解释活动星系核（诸如类星体）的巨大能量外输。 这些超大质量的黑洞与普通黑洞截然不同，普通黑洞只有几个太阳质量而且它们的形成过程我们也非常清楚。而对超大黑洞的起源则是一无所知，它们的存在在很长一段时间内仍停留在假设阶段。直到80年代中，黑洞“引擎”才成为解释活动星系核的理论框架的一部分。但是有关它们存在的证据仍然很缺乏。在以后的十年中，付出了大量的精力来寻找星系核中暗物质的动力学证据。现在证据已很充分，在两个天体中——银河系和NGC4258——暗物质即存在于一个如此小的区域内，而这一区域是一个普通黑洞的可能性已被排除。

    直到最近，黑洞研究主要用来解释那些壮观的场面而不是鲜为人知的活动星系核现象。但是情况正在迅速的改变。哈勃太空望远镜的观测表明黑洞存在于每个星系之中。地基分光镜的观测结果则强烈暗示黑洞是星系的普通装备。这些观测预示着黑洞的成长与星系的形成之间有紧密的联系。这些结果深深地改变了天文学家对黑洞的认识：比解释活动星系核更吸引人的是，黑洞正成为解释星系形成必需的一部分。

    2000年6月召开了第196届美国天文学学会会议，在有关黑洞的全天会议上，黑洞存在的证据有了很大的进展。报告新发现了至少15个黑洞，这样可供研究的黑洞数量至少已达到了34个。卡尔·格哈得特（Karl Gebhardt）及其同事和劳拉 ·****纳斯（Laura Ferrarese）及其合作者分别独立的公布了一个重要消息，在黑洞与星系之间存在一种新的关系。两个小组都发现在具有较大的恒星随机速度σ的星系中，其黑洞的质量较大。先前也观测到一个相类似的黑洞质量与星系光度（可度量星系质量）的关系：质量越大的星系中存在质量越大的黑洞。这也没什么可惊异的，因为许多天体的性质取决于它的质量，而且质量越大的星系有更多的物质来“喂养”黑洞。但是质—光关系的数量是巨大的，并且一些星系拥有或大或小的黑洞。作为比较，新发现的关系则呈现小数量。

    在天文学中，事物间紧密的联系将导致基础理论的进步。黑洞质量与σ的关系暗示着星系形成和黑洞吸积物质（黑洞积累物质以此喷发成为类星体）之间的联系。黑洞为了成长，几乎会损失其所有的角动量。这是非常困难的，所以“喂养”怪物的过程很难被理解。但是把黑洞的成长用于解释星系的形成则是一大进步。

    为什么具有非比寻常的质量的黑洞同时具有较大σ？这可能有几种解释。例如，恒星的质光比可能呈现异常得大；为了平衡越大的质量就需要越大的速度。然而，这被证明并不是关键。相反，具有异常高的分离速度的星系结构却很紧密。它们具有较高的表面亮度，同时还有比正常情况小的半径。因此，恒星靠得很紧，它们之间的引力就较大致使它们必须高速运动。这意味着，当一个星系比普通星系热时，它会比普通的亮，同时它会塌缩到一个较小的尺度具有较高的密度。但是当星系不寻常的收缩时黑洞仍具有巨大的质量，这就强烈得预示着星系形成的过程确定了黑洞的质量。

    与椭圆星系形成鲜明对比，漩涡星系的特质与黑洞质量没有直接联系。漩涡星系中黑洞的质量分数比由质—光关系推测的0.2%小得多。被很好地研究的漩涡星系是我们本星系团中的邻居M33。如果漩涡星系像椭圆星系那样含有黑洞，那么M33就应该含有一个质量在1～3×10^7 个太阳质量之间的黑洞。但是哈勃太空望远镜的分光镜显示M33不可能包含一个质量超过2000个太阳质量的黑洞。因此黑洞的成长只和椭圆星系的形成联系了起来。

    当星系碰撞合并时形成了椭圆星系。合并期间引力作用混合了彼此的恒星并且重新分配了角动量；其结果是被迫合并的系统（漩涡星系）变成了椭圆星系。至少在邻近的宇宙，气体的消散是必需的，以此来形成椭圆星系的高密度和漩涡星系的低密度。新的结果显示当一个椭圆星系喷发变成活动星系核时，椭圆星系形成的主要过程与其黑洞成长的主要阶段同步。比较可能的形成过程是一系列的合并，它不仅促使恒星爆发而且给活动星系核提供了物质。

    黑洞成长和椭圆星系形成之间确切的关系目前并不明确。一些学者认为黑洞的成长先于星系的形成。例如，斯尔克（Silk）和瑞斯（Rees）认为先期形成的巨大黑洞通过辐射压和活动星系核喷发的气体控制其周围形成星系的大小。同时我们也知道在星系形成之后，一些黑洞的质量仍在增长，因为在一些年长的星系中仍观测到有低水平的活动星系核活动。黑洞在星系形成之前、之中、之后增长了多少质量仍待研究。

    然而，宇宙中巨型椭圆星系形成的样本为我们指引了观测方向。这些“极亮的红外星系”（ULIRG）有着1～10^12 个太阳光度。桑德斯（Sanders）及其他人认为ULIRG是类星体的前身。这一观点导致一场十年的辩论，是活动星系核还是恒星爆发为ULIRG提供了能量。现在观测的结果是双方都是正确的，ULIRG大约2/3的能量来自恒星爆发，余下的则来自活动星系核。ULIRG的性质完全取决于星系的形成，黑洞的成长和类星体活动。

    黑洞同时也以其他方式影响星系的形成。例如，一些椭圆星系有一个核，那儿的密度坡度比在大范围内观测到的能量坡度小得多。菲伯（Faber）及其同事认为这些核可能是由双黑洞的轨道瓦解而成。当两个星系合并时，它们的黑洞形成一个双星系统，然后通过抛射恒星而融合。这就降低了恒星的密度同时形成一个密度断层。另外，核也有可能通过活动星系核的物质反馈形成。如果黑洞通过塌缩来喂养自己并形成星系，那么由其所致的活动星系核会很活跃，来影响试图掉进黑洞的气体。这可以防止恒星形成的不足。

    我们仍不知道这些过程中的哪一个可以正确解释星系核。然而，无论是哪一个黑洞都是解释星系形成的必需品。这一个例子表明黑洞和星系形成之间的关系是非常引人注目的。

    进一步的成果可能很快取得。我们已进入了哈勃太空望远镜的主要使用期。自从1997年，哈勃太空望远镜安装了空间望远镜光谱成像仪（STIS），黑洞的搜索变得更有效率，因为STIS通过一个一维的缝隙检查光线而不是通过一个单独的缝隙。未来几年会发现更多的黑洞，其必将超过我们过却15年发现的总和。

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