宇宙中幾乎每個(gè)星系的中心都有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。它們是如何形成的？這些超級(jí)“巨獸”與圍繞它旋轉(zhuǎn)的星系又有什么關(guān)系呢？天文學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)探索奧秘，我們需要新的工具和技術(shù)來解開這些奧秘。但之后這些奧秘又會(huì)引出新的奧秘。比如，現(xiàn)代天文的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)——“類星體”。我們知道了它是什么，但接下來的問題是它來自哪里？讓我們先看看發(fā)現(xiàn)類星體的故事！
藝術(shù)效果圖展示了在中心黑洞作用下的CO-0.40-0.22氣體云。Credit: Keio University
類星體
早在20世紀(jì)50年代，天文學(xué)家使用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了宇宙深處的奇怪天體。它們非常明亮并異常遙遠(yuǎn)——距離地球百萬光年甚至數(shù)十億光年。最初它們出現(xiàn)在射電頻譜上，后來天文學(xué)家在可見光譜中也發(fā)現(xiàn)了它們的蹤影。華裔天文學(xué)家丘宏義創(chuàng)造了“類星體”這個(gè)名稱。它們像星星一樣在遙遠(yuǎn)的宇宙中發(fā)光，但它發(fā)出的射線甚至比整個(gè)星系都強(qiáng)。在此后的幾十年，天文學(xué)家終于明白了類星體其實(shí)就是黑洞，猛烈吞噬著周圍物質(zhì)，并發(fā)射出巨大的能量，以至于在數(shù)十億光年遠(yuǎn)的我們都能觀測(cè)到它。但它并不是由恒星演化而來的黑洞，它們是超大質(zhì)量黑洞，它們的質(zhì)量可以達(dá)到太陽質(zhì)量的百萬甚至數(shù)十億倍。20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家認(rèn)為在包括銀河系在內(nèi)的許多星系的核心地帶都有可能存在超大質(zhì)量黑洞。
漩渦星系(M51,NGC5194)，位于獵犬座的一個(gè)典型的螺旋星系，旁邊是NGC5195。Credit: NASA/ESA
超大質(zhì)量黑洞
1974年，天文學(xué)家在銀河系的中心發(fā)現(xiàn)一個(gè)射電源，我們將它命名為人馬座A*，星號(hào)表示驚嘆。根據(jù)它的發(fā)射情況，這個(gè)黑洞并不處于活躍的時(shí)期，但它的過去或是將來還是可能像“類星體”一樣。天文學(xué)家嘗試使用紅外波段來觀測(cè)它，因?yàn)檫@一波段容易穿透氣體和塵埃。他們發(fā)現(xiàn)一群星在圍繞人馬座A*運(yùn)動(dòng)，就像彗星圍繞太陽那樣。只有當(dāng)這個(gè)黑洞擁有百萬倍太陽的質(zhì)量，它的引力錨定作用才能形成這樣奇怪的軌跡。
后來天文學(xué)家在仙女座星系的中心同樣發(fā)現(xiàn)了超大質(zhì)量黑洞。事實(shí)上，幾乎所有的星系中心都有這樣的超大質(zhì)量黑洞。但是，它們是如何形成的？它們來自哪里？是星系形成在先，然后在中央形成了黑洞？還是先形成了黑洞，然后才有了圍繞它運(yùn)動(dòng)的星系？
兩個(gè)星系演化模型
直到最近，這個(gè)問題都一直困擾這天文學(xué)家。我們進(jìn)行了大量科學(xué)研究，使用了越來越靈敏的天文臺(tái)，現(xiàn)在我們終于積累了一些依據(jù)可以幫助我們解答這一奧秘。天文學(xué)家已經(jīng)建立了兩種模型來解釋宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。一個(gè)是自上而下的模型，一個(gè)是自下而上的模型。
自上而下的模型
在自上而下模型中，整個(gè)超星系團(tuán)都是同時(shí)在宇宙大爆炸后由殘余的原始?xì)湓菩纬傻摹＿@些原始?xì)湓埔婚_始作為一個(gè)整體局部聚集，開始旋轉(zhuǎn)，并形成一些較小的螺旋星系和矮星系，之后它們還會(huì)合并，形成我們現(xiàn)在的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。超大質(zhì)量黑洞是由星系致密核心聚集形成的。如果想要了解我們的太陽以及其他恒星是如何孕育而生的。可以想象一個(gè)聚集的氣體和塵埃云演化成恒星系統(tǒng)，隨著時(shí)間推移，恒星逐漸成熟并漸漸彼此分離。這就是自上而下的分解模型。
哈勃望遠(yuǎn)鏡展示的M54，一個(gè)位于人馬座矮星系的球狀星團(tuán)。Credit: ESA/Hubble & NASA
自下而上的模型
在自下而上的模型中，氣體和塵埃逐漸聚集，質(zhì)量越來越大，形成矮星系、星系團(tuán)甚至超星系團(tuán)。星系中央的超大質(zhì)量黑洞是萬世以來黑洞不斷碰撞聚集產(chǎn)生的。事實(shí)上，天文學(xué)家也是如此來思考產(chǎn)生行星的機(jī)制。塵埃引力作用在不斷聚集成更大顆粒，幾百年后直至形成行星。這一模型就是由小聚大的過程。在宇宙大爆炸后的不久，整個(gè)宇宙異常致密，但不是所有的地方一樣致密。微小的量子漲落開始演化，在數(shù)十億年膨脹后成為我們宇宙目前的超大尺度超星系團(tuán)結(jié)構(gòu)。
星系碰撞會(huì)使核心的超大質(zhì)量黑洞合并
Credit: NASA
哪個(gè)模型正確
早期宇宙有很多微小的密度變化，這些變化會(huì)成為今日宇宙數(shù)億光年的結(jié)構(gòu)變化。設(shè)想一下，在宇宙碰撞中作用的兩個(gè)力：一個(gè)是物質(zhì)之間的引力；一個(gè)是反向的宇宙膨脹的力。星系、星系團(tuán)和超星系團(tuán)的大小由這兩種力量的平衡點(diǎn)決定。當(dāng)天文學(xué)家以最大尺度觀測(cè)宇宙，他們觀測(cè)到星系團(tuán)和超星系團(tuán)，這些結(jié)構(gòu)貌似支持自上而下的分解模型。當(dāng)宇宙大爆炸后的幾億年，第一代的恒星形成，這又符合自下而上的聚集模型。
那是否兩種模型都在發(fā)揮作用？答案并非如此。現(xiàn)代觀測(cè)結(jié)果傾向于自下而上的過程。關(guān)鍵的原因是引力以光速運(yùn)動(dòng)，大爆炸后超光速膨脹，意味著散開的微粒很難大規(guī)模聚集。換言之，我們不會(huì)先有一個(gè)超星系團(tuán)，更現(xiàn)實(shí)的是先形成一個(gè)恒星。但最初代的恒星由氫和氦構(gòu)成，質(zhì)量上它們上大于現(xiàn)在的恒星。它們的壽命較短，以超新星爆發(fā)終結(jié)，形成恒星型黑洞。初期的原星系內(nèi)部在聚集，包括初期的黑洞以及周圍的恒星。經(jīng)過百萬年甚至數(shù)十億年，黑洞不斷發(fā)生著碰撞合并，積累了超過太陽百萬倍甚至數(shù)十億倍的質(zhì)量，形成了現(xiàn)在的星系。
超大質(zhì)量恒星的結(jié)局示意圖，超新星爆發(fā)后黑洞形成。
Credit: NASA/ESA/P. Jeffries (STScI)
最新的觀測(cè)結(jié)果支持上述推論。天文學(xué)家在一些小型星系中央發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞。比如我們的銀河系，中心的黑洞質(zhì)量是太陽的410萬倍，僅僅是銀河系整體質(zhì)量的0.01%。但美國猶他大學(xué)的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)兩個(gè)更小的星系，它們的中心黑洞質(zhì)量分別是440萬倍和580萬倍，質(zhì)量分別占它們星系的13%和18%。比較合理的解釋是：它們都經(jīng)歷了星系的碰撞和黑洞合并，但部分恒星被剝離。這些早期合并事件的幸存者成為我們推斷的證據(jù)。
我們?cè)絹碓浇咏忾_這一奧秘的大門，星系的形成應(yīng)該是自下而上的聚集過程，早期的恒星到原星系，恒星的超新星爆發(fā)形成早期恒星型黑洞?，F(xiàn)在宇宙的結(jié)構(gòu)包括星系中心的超大質(zhì)量黑洞，是百億年來形成、毀滅、合并不斷作用的結(jié)果。
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