超大质量黑洞:星系的缔造者?

Shea/编译

很久很久以前,一团巨大的低温气体漂浮在空荡的宇宙之中,而其中有一片黑色的区域甚至比宇宙背景还要深邃。突然之间,一条纤细的物质喷流以超高速喷涌了出来。它直冲云端,压缩其中的物质,触发了恒星形成风暴。曾经沉睡的气体云现在则成为了一个星系。

难道这就是一个星系的诞生?许多天体物理学家深信这一点。星系的存在会影响宇宙的演化,这就把超大质量黑洞置于了整个过程的中心。超大质量黑洞驱动着类星体,它们会产生以极高的速度运动的物质喷流,正是这些喷流触发了星系的形成。

如果这个想法是正确的,它就将会颠覆已有的星系形成理论。它也会惊人地对改变我们自己的起源。如果没有超大质量黑洞产生的喷流催生出银河系,也许人类就不会出现在这个宇宙中。

不过天文学家们并不打算就此重写宇宙的历史。他们关注的是超大质量黑洞和星系之间的联系,这也是萦绕在星系形成上的一个关键问题。20世纪60年代中,当类星体首次被发现时,这个问题第一次浮出了水面。

类星体都是非常明亮、致密的天体,可以释放出超过银河系100倍的辐射。如此惊人的能量输出却来自一个非常小的区域,这只能用位于星系核心的超大质量黑洞来解释。在黑洞的引力作用下,周围的气体和尘埃会作螺旋运动并且形成一个盘,同时它们还会被加热释放出巨量的辐射。

超大质量黑洞射出的喷流导致星系形成的概念图。版权:ESO/L. Cal?ada。

超大质量黑洞射出的喷流导致星系形成的概念图。版权:ESO/L. Cal?ada。

当时,许多天文学家认为,只有类星体中才存在超大质量黑洞,而类星体在宇宙中又十分罕见,因此它们只不过是无关紧要的宇宙“异类”而已。然而,随着在绝大多数的星系中央都发现了超大质量黑洞,这一观点也发生了改变。在大多数星系(也包括我们的银河系)中,这些“中央引擎”由于缺少燃料一直处于休眠状态,因此都隐藏得很深。

不过,真正令天文学家们好奇的是,这些超大质量黑洞究竟能在何种程度上影响它们所处的星系。虽然名字唬人,但超大质量黑洞其实是非常“小”的天体。以银河系为例,由恒星和气体组成的银盘直径约15万光年,而居于其中心的超大质量黑洞却还没有水星绕太阳公转的轨道大。所以,你也许会认为它们不会对宿主星系造成大的影响。

超大质量黑洞的概念图。中央的超大质量黑洞被一个吸积盘(黄色)所围绕,外部则是尘埃环面(蓝色),两道喷流则从中心区域向外喷射而出。版权:ESA/NASA/the AVO project/Paolo Padovani。

裸类星体

然而,距离较近的星系似乎都遵循着一个优雅但却原因不明的关系:星系中央核球里恒星的总质量是超大质量黑洞的约700倍。这一星系和超大质量黑洞间的关系表明,其中一个的生长影响着另一个。两者间相关连的进一步证据则是,恒星形成和类星体活动在80~100亿年前同时达到了高峰。

那么,这么小的天体为何能影响整个星系呢?其关键就是超大质量黑洞射出的两道反向物质喷流。在最初的几个光年里,喷流中的物质会以接近光速的速度运动,这使得它们可以冲破四周星系物质的包围运动到数百万光年远的星系际空间中去。

类星体HE0450-2958为此提供了一个绝佳的范例。HE0450-2958距离地球50亿光年,是唯一已知的“裸类星体”——一个周围没有星系的超大质量黑洞。

一些天文学家怀疑,HE0450-2958附近其实有一个星系,但是被大量的灰尘遮挡住了。尘埃会在红外波段上发光,于是天文学家就使用欧洲南方天文台甚大望远镜上的红外设备对其进行了观测,结果有了惊人的发现。

他们发现这个类星体的喷流就像一把激光剑,扎入了距离其23,000光年远的一个星系中。这个星系富含明亮的年轻恒星,其中的恒星形成速率相当于每年350个太阳,这个数字高出了预期100多倍。天文学家猜想,如此疯狂的恒星形成率绝非偶然,这表明类星体的喷流实际上催生出了这个星系。

这直接颠覆了标准星系形成理论,传统上都认为星系先形成,然后是超大质量黑洞。但HE0450-2958告诉我们的却正好相反,超大质量黑洞触发了星系的形成。

对于HE0450-2958,它始于一个超大质量黑洞,后者会从星系际空间吸来气体,成为一个类星体。由此它一直在长大,直到大约2亿年前喷流出现。其中的一道喷流击中了23,000光年远的一团气体云,由此引发的激波传遍了整个星云。这也导致了恒星形成过程,产生了今天我们所看到的星系。

近距类星体HE0450-2958的颜色合成图像,它是唯一一个没有探测到宿主星系迹象的类星体。版权:ESO。

这一想法肯定会招来争议。因此在公布之前,天文学家必须要确保类星体及其喷流所指星系间的相关性不存在其他解释。起先,他们认为HE0450-2958是被从这个星系中抛射出来的。因为数值模拟显示,当两个星系合并时,它们的中央黑洞会相互作用,并把其中一个甩入星系际空间。

然而,当真如此的话,HE0450-2958被甩出来的方向却正好和它的一道喷流的方向重合,这实在是一个奇怪的巧合。更重要的是,要从一个质量和银河系相当的星系中逃逸出来并不是一件容易的事情,它要求你的速度必须达到大约每秒500千米以上。对这一系统的观测并没有发现在过去数亿年中存在星系并合的证据,而HE0450-2958的速度也只有大约每秒200千米,根本不足以摆脱这个星系。

事实上,这个类星体的低速意味着,随着时间的推移,它会慢慢地掉入这个由它缔造的星系。与超大质量黑洞在成形后的星系中心形成、生长不同,在这个系统中,一个超大质量黑洞从外部创造了一个星系,然后再跑到星系的中心。

这无疑是具有轰动性的。不过,目前只找到了一个这样的例子。大质量星系的形成和类星体活动都出现在宇宙的早期,因此如果能在早期宇宙中看到其他类似HE0450-2958这样的系统那将会是非常有意义和说服力的。

这也正是天文学家们目前正在进行中的。这个理论的优点就在于它并不依赖于寻找更多类似HE0450-2958这样的裸类星体。超大质量黑洞的喷流有足够的能量来把气体云转变成星系,无论它们是裸类星体还是深藏于某个星系的中心。

有宿主星系的类星体HE1239-2426(右)和无宿主星系的类星体HE0450-2958(左)之间的比较。版权:NASA/ESA/ESO/Frédéric Courbin/Pierre Magain。

甚至有可能一个类星体可以引发多个星系的形成。当某些类星体中有两个尚未完全并合的超大质量黑洞时,它们的喷流会像灯塔一样扫过不同的方向。喷流所到之处就会唤醒那里的气体。这也解释了为什么正常星系往往都聚集在类星体的周围。

不过有的天文学家的观点正好相反,他们认为这一成团现象正好说明了是星系产下了类星体并把它抛射了出去。

一种更有趣的可能性是,星系形成甚至可能都不需要有“沉睡”的气体云的存在。这是因为喷流每年可以喷射出多达1亿个太阳质量的物质,而这一状态又可以维持大约几亿年。这意味着,在它们一生中,有可能会喷射出足够建造一个大型星系所需的原材料。

寻找星云

那么如何才能证明是类星体诱发了星系的形成呢?其关键是寻找一个比HE0450-2958处于更早演化阶段的类星体及其附近的星系,尤其是与低温分子气体云相邻的类星体,因为恒星正是从分子云中形成的。

事实上,已经观测到了一些这样的系统。天文学家一直在为发现了和一氧化碳云相邻的类星体而困惑。但在这个理论下,它不但没有任何问题,还具有重要的意义。

进一步地,天文观测还证明超大质量黑洞在宇宙的早期就已达到它的最大质量。这表明,在星系形成前超大质量黑洞就已长成并统治着宇宙——正好和目前流行的观点的相反。

当然,如果超大质量黑洞先形成,然后催生出了星系,那么超大质量黑洞又是从何而来的?这是目前缺少的一环。

钱德拉X射线天文台拍摄的银河系中心区及其中央黑洞Sgr A*。版权:NASA/CXC/MIT/F.K. Baganoff等人。

虽然没有人确切知道,但还是有了一些想法。对类星体的观测显示,质量为太阳1千亿倍的超大质量黑洞可以在宇宙大爆炸之后10亿年内形成。多年来,天文学家都对此不知所措,不清楚这些庞然大物是怎样如此神速地成长的。

一种观点是,它们形成于小得多的、由恒星演化到末期坍缩而成的黑洞。在一个密度极高的星团中,几个这样的恒星质量黑洞可以并合成一个大黑洞,并且通过吸积物质继续生长。但对这一观点的批评指出,恒星质量黑洞根本就无法在宇宙大爆炸后的10亿年内并合形成超大质量黑洞。

另一个方法则是形成一颗超大质量的恒星。如果这样的一颗恒星一旦形成,它就会由于其核心的核聚变根本不足以产生足够多的热量来支撑其庞大的身躯而立即坍缩成一个超大质量黑洞。

根据计算,超大质量黑洞的种子会形成于超大质量恒星的内部,然后再以高速成长。最终,恒星的外层会爆炸暴露出隐藏在其中的黑洞。为了验证这一想法,需要使用下一代的望远镜。

著名英国天文学家霍伊尔曾经证明,我们都来自星尘。但也许要不了多久就要补上一句,我们也都来自黑洞。

来源:songshuhui.net

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