星系与黑洞：剪不断，理还乱！探索宇宙

每一个大型星系的中心似乎都有一个超大质量黑洞。然而，没有人确切知道它们之间到底是个什么关系。

　　研究家庭动力学是一个艰巨的任务，有时甚至让人绝望。家庭成员间的影响往往微妙、隐蔽而又相互纠缠。一切似乎都在不经意间发生。对于人类家庭成立的这些特性也许也适用于“宇宙家庭”，这个家庭的成员包括了中央黑洞以及它们所在的星系。

　　整个20世纪90年代，天文学家们越发地认识到黑洞和星系之间存在着紧密但又神秘的关系。一个重要的认识是，没有数十亿个太阳质量、也有数百万个太阳质量的超大质量黑洞绝非罕见。相反，天文学家详细研究的每一个大型星系的中心都潜伏着一个巨大的黑洞。这一大型星系和黑洞之间一一对应的关系表明这两者之间有着根本的联系。

　　1993年，美国德克萨斯大学的天文学家约翰·科曼迪（John Kormendy）发现了中央黑洞质量和其宿主星系之间的相关性。更准确地说，这是黑洞和椭圆星系（足球形）以及黑洞和旋涡星系核球（中央突起）间的联系。

　　观测发现两者的质量之比在0.1%～0.2%之间。美国加州理工学院的天文学家多米尼克·里奇斯（Dominik Riechers）则进一步将其精确到了1/700（0.14%）。由于在不同质量和处于不同演化阶段的星系中都观测到了相同的比值，因此这里必定存在某些机制可以调节黑洞和星系的生长，而它们之间也肯定存在某种方式可以相互影响。

　　到2000年，这两者间的联系甚至变得更为紧密。两个天文学家小组发现了黑洞的质量与核球中恒星轨道随机速度（速度弥散）的相关性。这一相关性之所以特别惊人是因为核球中大多数恒星都远离黑洞、对黑洞的引力完全免疫。

　　如果黑洞的质量和星系自身一些与黑洞无关的特性间有着紧密的联系，这就明确地体现了两者是共同演化的。共同演化意味着，黑洞和星系的演化是一个并行的过程，两者之间会通过反馈机制相互“沟通”。自2000年以来，天文学家们就一直在尝试了解黑洞和星系间是如何互相沟通的以及它们之间的“对话”是如何造就这一相关性的。

　　在新千年的伊始，这些发现似乎都在说明，如果不了解星系，就无法了解黑洞。黑洞和它们的宿主星系是一同成长的，而这仍有待确切地解释。

没这么快

　　10年过去了，有人可能认为，天文学家应该已经搞清楚黑洞和星系之间相互作用的细节了。不幸的是，情况并非如此。虽然天文学家已经在观测上取得了进展，但一个能囊括所有不同方面的理论至今依然渺茫。

　　大家都在四处摸索，试图寻觅下一个大发现。天文学家在近邻的宇宙中观测到的这一相关性可能也存在于早期的宇宙中，但这一相关性是如何以及何时建立的仍一个深奥的谜。问题并不在于科学家没有理论来解释这一现象，而在于有太多的理论。如果5个不同的医生给你5个不同的诊断，你可能多少都会有些疑惑。

　　今天天文学家所知的大部分都来自观测而非理论。他们还远远无法就黑洞和星系是如何相互作用和演化的做出肯定的预言，因为只有了解了星系在数十亿年的过程中经历的所有事情才能建立一个真正的理论模型。

　　这是一个艰巨的任务，而理论也毫无意外地落后于观测。与此同时，天文学家们也正在试图剔除观测结果中的不确定性。为此，他们正忙于提高质量相关性的精度。这些信息反过来会催生出更好的理论模型并帮助解决现有的一些难题。到目前为止，实测数据已经给出了比十年前所见的更细致的图像。特别地，有关的研究也对所谓的共同理论提出了疑问，在这个理论中黑洞和星系宇宙携手走过了宇宙历史的舞台。

凝视深渊

　　2009年2月，美国耶鲁大学天文学家凯文·沙温斯基（Kevin Schawinski）及其同事对黑洞－星系演化的主导机制提出了质疑。在标准的解释中，当黑洞吸引四周的气体时，气体会绕着黑洞越来越快地转动，直到黑洞视界——一条不归路。在此过程中这些物质会在黑洞周围形成一个吸积盘，盘中物质的摩擦会把它加热到让人难以置信的高温。

　　于是，这个盘会变成一个强X射线和其他辐射源，并且触发会把物质喷出的高速喷流。在其活动的高峰期，这个黑洞就成了一个类星体，它是宇宙中最明亮的天体之一，也是活动星系核中最明亮的一种。当黑洞吸积物质的速度放慢之后，这个中央引擎就会变成一个更为平凡的活动星系核。

　　这个理论认为，活动星系核发出的能量会清除掉黑洞周围的物质。这不但会削弱黑洞自身的生长，同时还会加热附近的气体使得它无法再凝聚成恒星。通过这种方式，活动星系核可以调节黑洞和星系的生长周期——它们会持续不断地生长，直到活动星系核喷出了过多的能量使得两者的运转都被关闭。

　　虽然这一理论有许多追随者，但沙温斯基及其同事认为上述的时间线不太准确。他们使用雨燕γ射线天文台、伦琴X射线卫星以及斯隆数字巡天的数据发现了16个近距星系和其中的黑洞。由于这些活动星系核仍在高速运转会产生强X射线暴，因此清楚地显露出了黑洞的存在。他们想知道，当活动星系核最活跃的时候，星系在干什么。

翡翠谷

　　天文学家很早以前就知道，年轻的产星星系是蓝色的。这是因为短寿的大质量恒星主宰了星系。这些恒星温度极高，所发出的大部分辐射都集中在光谱的蓝色部分。数百万年之内这些恒星就会死去，并逐渐被质量较小、温度较低的恒星取代，它们辐射出的则主要是红光。

　　但是，他们发现快速生长的黑洞都位于被沙温斯基称为“翡翠谷”的星系中，这些星系中主导恒星的颜色介于蓝色和红色之间。在这里恒星被用做了宇宙时钟，来标记事件发生的先后顺序。这就像考古，你不知道这个特定的文物是什么时候做的，但是你知道它所在的地层以及地层的年龄。这里的恒星就相当于地层，表征了大量恒星形成的时间。

　　这一方法显示，活动星系核在绿色星系中会达到最活跃的状态，差不多是在早期蓝色恒星集中形成之后1亿年。计算表明，活动星系核无法终止恒星形成过程，因为恒星形成远在活动星系核启动之前就开始走下坡路了。如果沙温斯基及其合作者是对的，那么传统的理论在一些关键的细节上就会存在问题。黑洞和星系之间的共同演化可能比原先认为的更加复杂。

　　2009年的另一项研究似乎也证实了这一观点。天文学家研究了900个有核球的星系。根据从红外、光学、紫外和X射线空间望远镜所获得的数据，他们得出结论，恒星形成和黑洞吸积发生在完全不同的时间而且它们是由完全不同的事件所引发的。

　　这些发现表明，如果我们要说黑洞和星系是“共同演化”的，那必须要为这个词赋予更宽泛的含义。在这种情况下，共同演化发生在不同的时间和地点。恒星形成大大落后于黑洞的生长，但它们仍然能通过其他一些机制追赶上彼此。不过他们也坦承，这一研究并没有真正揭示出这一机制。

　　最近，天文学家甚至开始质疑黑洞－星系的质量相关性。这个关系从1993年发现以来一直表现良好而且似乎还在不断完善。里奇斯和美国国家射电天文台的克里斯·卡里利（Chris Carilli）以及其他人在整个宇宙的时间跨度上检测了黑洞－星系的质量比。在近距宇宙测得的比率（约0.14%）是否也适用于在宇宙大爆炸后10亿年形成的第一代星系？

　　这个国际天文学家小组使用位于美国新墨西哥州的甚大天线阵和位于法国的德布雷干涉仪进行了观测。这一观测恰好处于目前观测能力极限的边缘。虽然测量的误差比较大，但他们发现，早期宇宙中黑洞的质量相对于其宿主星系要比现在的大得多，其比率为1/30而现在的值为1/700。

谁先谁后？

　　那么，这究竟意味着什么？对卡里利来说，这意味着黑洞先形成，然后围绕着它形成了星系。这只是一个实证的说法，黑洞在那里，但星系却没有，或者至少没那么大。

　　里奇斯的看法则有所不同。他并不认为这意味着黑洞是星系的种子。它们可以同时形成，但以不同的速度生长。在刚开始时，由于吸积物质远比恒星形成高效，因此黑洞生长的速度较快。（黑洞可以把高达40%的下落物质变为自身的质量，但分子云中仅有少量的气体最终会形成恒星。）

　　他们的数据显示，黑洞生长的峰值出现的较早，而星系生长持续的时间较长。但不管怎么说，还没有一个理论能很好地来解释这些新发现。

　　如果你还嫌不够乱，超大质量黑洞的质量现在似乎又出了问题。2009年，天文学家重新分析了室女星系团中两大星系M87和M60的中央黑洞的质量。他们发现，先前估计的质量只有现在的二分之一，并且认为类似的现象可能也会出现在即使不是全部也是大部分的超大质量黑洞身上。这一向上的修正源于使用了包括暗物质的模型，而以前的模型则忽略了这一点。

　　星系中恒星的运动速度取决于系统的总质量，而与组成这些质量的成分无关。这一质量可以来自黑洞、恒星或者是由不可见的暗物质所组成的晕。如果不考虑暗物质，这部分质量就要来自其他地方，而恒星是很自然的选择。但是，当模型包括了暗物质之后，恒星的质量贡献就会下降。这就会增大黑洞与星系的质量之比以及黑洞本身的质量。

　　中央黑洞质量的增加会增大它所释放出的能量，这反过来又会放大黑洞对其宿主星系的影响。换句话说，改变黑洞的质量，就会改变黑洞和星系间的关系。这需要一个新的物理模型来纳入这一变化。

朝着正确的方向

　　目前这个领域的状态是“有趣的混乱”。天文学家们正在了解许多新的东西，其中一些可能会给出答案。

　　这一领域中少数的天文学家则感到绝望。沙温斯基警告，不应该把婴儿与洗澡水一起倒掉。共同演化也许比我们想象得更为复杂、更为微妙。但在许多方面这一想法仍然奏效。每一个大型星系中央似乎都有一个黑洞，所以这些东西之间必定存在某种联系。

　　当考虑到能量的时候这一点更加千真万确。吸积黑洞是宇宙中最明亮的天体。星系核心生长中的超大质量黑洞所释放出的能量足以吹散它的宿主星系。即便是这些能量中的一小部分也能改变整个星系。虽然天文学家目前还不了解其背后的机制，但所有这一切都说明黑洞和星系的命运是捆绑在一起的。

　　许多天文学家认为未来的观测掌握了解决这个问题的关键。例如，对黑洞质量的明显低估是只出现在巨型黑洞上，还是小一些的也有。同时天文学家也在扩大所观测黑洞及其宿主星系的数量和深度。

　　在观测上，天文学家则寄希望于升级的扩展甚大天线阵和阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵（ALMA），两者都应该在几年之内投入运转。ALMA代表了地基天文学在任何波段下向前迈出的最大一步。它的灵敏度、空间分辨率以及许多其他方面将超出现有水平几乎100倍，这意味着到时候天文学家就能观测到大量的现在看不到的星系。

　　新的研究也在让这一邻域不断沸腾。2009年11月，一个法、德天文学家小组对一个相对较近的类星体HE 0450-2958进行了观测。他们发现，这个类星体正在通过将物质和能量注入附近的气体云来引发恒星形成，从而在其周围建造星系。在这个宇宙版的“先有鸡还是先有蛋”问题中，先有的是黑洞。

　　尽管差不多20年前天文学家就满怀着希望，但这个故事时至今日依然没有结局。虽然他们也历尽艰辛曲折，但希望能解决这个问题天文学家们可能不得不面对大自然呈现在他们面前一个又一个的意外。

　　正如丹麦科学家和诗人皮特·海因（Piet Hein）曾写道：“值得抨击的问题证明了回击它们的价值。”如果说我们已经了解了有关黑洞的一些东西的话，那就是它们身上的未知比已知更多更甚。

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