Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 第十七章　巨型黑洞
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年10月26日08:24:38 星期天), 站内信件

 
    当一个黑洞作为恒星引力坍缩的结果而形成时，它所能具有的最大质量约为
10倍于太阳，但是，引力坍缩理论允许我们设想千倍、百万倍甚至几十亿倍太阳质
量的黑洞（见附录2）。什么过程能够产生出巨型黑洞呢？

    已经知道三种这样的过程。第一种是已在第15章提到过的早期宇宙中团块的凝
缩；第二种是由于作为黑洞特征性质之一的质量不可逆增长的趋向（对现在的情况
，微型黑洞的量子蒸发当然完全可以忽略），条件是周围环境的物质足够丰富，因
而一个由超新星产生的初始质量为10M的"恒星级种子"能够长成巨型黑洞；第三种
则是由恒星团的引力坍缩而直接形成。

    除了可能的原初起源之外，巨型黑洞的形成需要大量的以恒星或星际气体形式
存在的物质，还需要这些物质被限制在一个足够小的区域内，因而其演化过程是由
引力支配的。宇宙中物质在星系里的集中程度远胜于星系际空间（至少能发光物质
是如此），而星系内物质最集中的部分是其核心。假若有巨型黑洞，则星系核心是
首先应该搜寻的去处，且从我们的银河系开始吧。

    　银河系画像

    啊，银河，

    真像天国的河在缓缓流淌，又如美人的身体发着幽光。我是沿着你游向另一个
世界，还是只能空怀着爱意满腔？

    　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　--归劳默·阿波里纳瑞

    银河系是一个直径10万光年，厚300光年的盘，正好与密纹唱片直径和厚度的
比例一样。银河系中心是一个大的隆起区，即所谓核球，盘和核球都被包在被称为
曼的稀薄得多的恒星球中（图65）。

    银河系里大约有1000记颗恒星，大部分是在盘里。太阳的位置比较靠外，距离
银河系中心约3万光年。盘里除恒星外还有气体和尘埃。盘中物质的分布很不均匀
，在旋臂里比在别处密集得多，正是这些旋臂给出银河系的特征形状。

    盘在不断地经受着动力学和化学的转变。旋臂在转动和变形，臂中巨大的氢分
子云里诞生出恒星；较大质量的恒星迅速地演化成为超新星爆发，并把复杂的化学
元素散布到周围空间，这些元素又被吸收到新一代恒星之中。与之相反，晕是寂静
的，保持着星系的原始风貌。晕中的气体已消散殆尽，只有可能是150亿年前与星
系一同形成的老迈恒星。所有的大质量恒星早已爆发，留下中于星，也许还有黑洞
。中等质量的恒星已经离开了主序阶段，其中一些已经变成白矮星；另外的正在经
历着大动荡，那就是脉动的红巨星，光度很大而又在起伏变化。最后，晕中还有许
多低质量星，它们很节俭地使用着自己的氢燃料，还将存活很长的时间。

    曼的最重要特征不是居住其中的恒星的性质，而是恒星作为球状星团而聚集在
一起的方式。

    　球状星团

    与所谓"开放"星团，即多见于盘中的由年轻恒星组成的松散群体不同，球状星
团在星系球中到处可见。每个球状星团含有数十万颗恒星，直径不足150光年，它
们看上去就像由引力所束缚住的固体球。最有名的一个球状星团是在武仙座，虽然
整个地可用肉眼看到，却要用强大的望远镜才能把那个明亮的球分解成单颗的恒星
。这个星团中心的恒星密度比我们太阳附近高2万倍。如果星团中心某颗恒星周围
的行星上居住着天文学家，那么他们所研究的天空真是妙不可言。那里可以说不知
道什么夜晚，因为天空总是比我们的满月时还要亮。那些天文学家对恒星有满腹学
问，而对河外的星系却几乎一无所知，因为星系微弱的光信号会被他们附近的恒星
光所淹没。

    这种在很小体积内聚集了众多恒星的星团之所以特别明亮，还由于它们包含有
巨变星。正因为明亮，它们还被用来确定银河系的边界（大多数其他星系里也有球
状星团，无论是什么类型的星系）。

    球状星团的分市还使得天文学家能测定银河系的动力学中心。它们沿着根扁的
椭圆轨道运转，银河系中心就在一个焦点上。它们绕银心公转一周的时间大约是2
亿年。由于公转，就频繁地有球状星团穿过星系盘。每次穿过时，强大的潮汐力就
会把星团边缘那些束缚得不够紧的恒星剥掉。

    正因为球状星团的致密，它们复杂的演化详情尚未被充分认识，现在还不知道
其中心是否有大黑洞作为恒星聚合的结果而形成。然而，它们演化的总轮廓仍可概
述于下。

    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。原因相当简单：恒星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"。

    作为补偿，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住引力收缩，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
。星团的这种蒸发使人联想起微型黑洞，这并不奇怪，因为二者都有着纯引力系统
的热力学性质（已在第14章讲到），它们的温度都随着能量的丢失而升高（星团的
温度可由恒星的平均骚动速度来定义，正如气体的温度是联系着分子的平均骚动速
度一样），星团的这种不稳定性会导致其核心的引力坍缩，这被称为"引力热灾变
"。

    天体物理学家因而有理由设想，球状星团核心适合于质量为数百或数千M的大
黑洞形成，这种黑洞是中心引力饼底部的大质量恒星并合的结果。这个理论设想得
到一些观测证据的支持。如果球状星团中心有一个大黑洞，被吸进引力讲的恒星就
必定会聚集在被黑洞所束缚的轨道上，因而就会增强中心光度。有几个老龄球状星
团的确呈现出这种中心光度"尖峰"。另外，约有10个球状星团还是X射线源，与球
状星团包含的恒星总数相比，这就是一个相当大的比率。银河系里已知的明亮X射
线源总共约有50个。银河系的总质量是1000亿Mop 而所有球状星团的总质量只占其
中的1／2000。如果球状星团里X射线源的数量与恒星数量之比与银河系中一样，那
么在任何一个球状星团中都难以找到一个X射线源，而事实上却有10个，这表明球
状星团是很有利于产生X射线源的场所。X射线源通常联系着能捕获周围气体并加热
到开氏几百万度的致密星，一个质量为1000M的黑洞当然也可以吸取其周围恒星所
丧失的气体并使之发出X射线。

    但是，实际情况并不像乍看之下那样有利于黑洞。最近的观测和理论进展倾向
于否定球状星团中大黑洞的存在，理由如下：如果球状星团的动力学演化总是以大
黑洞的形成为终结，那么就应该有许多球状星团有中心光度峰，然而这种峰只在少
数几个星团中被观测到。于是就必定有一种机制能够打断星团核心的引力坍缩，使
之稳定在一个"正常"尺度上，这就是双星系统的形成。

    这是一个很自然的解释，但我们还必须等待大型计算机的复杂数值计算，以证
实小空间内许多恒星的相遇的确有刮于双星系统的形成。按照天体力学，一旦球状
星团中心有一个大质量双星系统形成，任何一个太靠近该系统的恒星就会被引力反
冲抛射到远处，这就是"强求的"双星系统的形成能够中断星团核心收缩的基本道理
。许多球状星团也是X射线源这一事实是双星存在的另一证据。由于球状星团的X射
线源并不比星系盘上的源亮很多，也的确没有理由再去引入有别于密近双星系统里
中子星或黑洞吸积气体的机制（见第16章）。此外，球状星团的源常是X射线暴，
爆发一般持续数秒钟，这种现象通常也归因于有伴星共存的致密星。

    最后，提高了分辨率的X射线探测器已经查明，球状星团X射线源的位置与星团
中心稍有偏离，而一个大黑洞会支配星团核心区域恒星的运动，因而就该占据星团
的中心位置。

    所以，球状星团中心大黑洞的假设最近已"声名扫地"。但是，在银河系的几百
个、在巨大椭圆星系梅西叶87的匕0皿个球状星团里，质量足够大的团产生出中心
黑洞的可能性是不能排除的。

    　人马座的银心黑洞

    银河系的动力学中心是在人马座方向，但被大量的气体和尘埃云所遮掩。那里
发射的可见光波段的光子，每1    亿个中才有1个能在经历3万光年的行程后到达
地球，在这种情况下，传统的望远镜是没有什么大用处的。对天文学家来说幸运的
是，电磁辐射有宽广的谱，从射电波直到伽玛射线。这个谱中的射电、红外和X射
线辐射不受尘埃云影响，所以银河系中心可以用射电望远镜和卫星来研究。

    银心的直径是30光年，其"热"光度（即所有波长辐射贡献的总和）是太阳光度
的1000万倍，那里有两个射电源。一个是人马座A东，具备超新星遗迹的所有特征
；另一个是人马座A西，是两种类型的射电辐射的复合：一种是热气体云的自然"热
"辐射，另一种则来自人马座A西的中心，不是热辐射，而是速度接近光速的电子产
生的所谓同步辐射（见下文"五点特征"一节）。

    这个"非热"射电源被称为人马座A，是银河系里最强的射电源，其光度10倍于
太阳的光学光度，然而最引人注意的还是它的致密性：辐射是来自一个尺度小于
30亿公里的小区域，这个尺度与土星的轨道或红巨星的直径相当。在这样小的范围
内不可能放进一个星团，因而射电辐射是来自单一的源。只有很少几种源能发射射
电波，即脉冲星、超新星遗迹、双星X射线源以及大质量黑洞，不妨逐一予以考查
。

    不可能是脉冲星，因为已知最明亮的脉冲星的光度也比人马座A＊小1万倍，况
且来自银心的射电辐射从未有过脉冲，而且非常稳定。

    也不可能是双星X射线源。这种源在所有波长上的辐射都有振荡，其平均射电
光度比人马座A＊小10万倍，即使爆发时的峰值也只及后者的十分之一。而且，一
方面人马座A＊的射电光度相对于密近双星系统而言过强，另一方面其X射线光度相
对说来又太弱。

    爆发不久的超新星遗迹可以是强射电源，但这种解释的困难在于，膨胀速度将
远大于人马座A＊15公里／秒的观测值。

    人马座A＊不可能只有通常恒星那样的质量。假如是那样，该射电源就会具有
银心区域恒星的典型速度，即150公里／秒，于是该源就会表现出在天球上的缓慢
运动，然而从未被观测到。相反，观测证实该源是静止在银河系中心，因而其质量
必定大于恒星。所以，一个质量为数百万MW处在缓慢吸积状态的黑洞，才是唯一能
与所有射电天文观测相吻合的模型。现在，这个模型必须由对银心另一个"窗口"的
观测来检验，这就是红外观测。

    红外天文学是随着由IRAS（红外天文卫星）等卫星携带的精密探测器的升空而
开始的，迄今不过数年历史。已经发现，人马座A＊的致密射电源位置与一个被称
为IRS 16的红外源几乎完全重合。这个红外源非常致密，银心30光年区域的总光度
可能几乎都由它贡献，它也加热和照亮人马座A西的气体，那么它的本质是什么呢
？

    恒星处于红巨星阶段时是很强的红外辐射源。通过测量IRSI6的红外辐射流，
是可能追溯出作为辐射源的红巨星的。再假定一个"正常"的红巨星比率，就可以推
出IRS16中的恒星分布。用这个方法得出，必定有200万颗恒星在半径为5光年的范
围内运动，这是极高的恒星密度，比球状星团里的还要高1000倍。

    但是，红巨星并不是唯一的红外辐射源。光谱测量显示，围绕IRS 16的轨道上
的气体云被加热到了开氏300度，也发出红外辐射。如果红巨星能被用来推测恒星
密度，那么气体云的运动就能指示出IRSI6的总质量这个重要信息。这里作了一个
简单假设，即气体是在引力作用下作圆周运动。于是，由多普勒频移计算出来的云
的轨道运动速度就提供了对中心质量的直接量度，这样得到的结果是在500万到
800万Mpe间。既然这个区域里恒星的总质量只有200万MC那就必定有300万到600万
M的看不见的质量。银心巨型黑洞的模型因而得到红外天文学的强有力支持（另外
，已探测到的X射线和伽玛射线辐射也表明致密源的存在人最后还应该考虑一下X射
线区域。1990年发射的法国一前苏联卫星西格玛是把银心作为首要目标的。第一个
意外是发现了一个强大的X射线源，但其位置并不与人马座A＊或IRS16重合，而是
至少相距300光年。与已经被说得太多的相反，这个发现根本不与大黑洞的存在相
抵触，因为黑洞若不吸积，也就不会发出高能辐射。如第16章中所述，西格玛所探
测到的X射线源可能是一个黑洞，但却是一个双星系统中的恒星级黑洞。

    现在许多天体物理学家都同意银心由三重结构组成。首先是一个"暖"气体盘，
它还有一个延伸到距中心5至30光年的"冕"，冕中聚集着许多物质团块，这个盘的
内边缘被中心辐射源强烈地加热。第H是在冕以内的一个半径为5光年的腔中有总质
量为200万M回的恒星组成的非常致密的星团。最后，在中心是一个质量在300万到
600万Mgh间的、缓慢吸积着的黑洞（也有不无道理的争议，说是气体云的运动可能
不是圆周的，甚至也不是由引力支配的，而是在中心星辐射压推动下的喷射。在这
个假设下300的中动质量就足以解释云的观测速度）。

    还要注意，一个300万吨黑洞的直径是对皿万公里，这比目前仪器所能分辨的
区域的尺度要小100倍。仪器的分辨率在今后几年中无疑会得到改进，但仍须记住
，从地球上看去的银心黑洞角径，就跟一个放在1皿万公里外的网球一样大。

    关于隐藏在银心的、与拉普拉斯的预言类似的巨大不可见星的猜想，是由德国
天文学家约翰·舍尔德勒（Johann Seldner）于1801年首先提出的。不过他的目的
简单地只是要解释银河系的自转，但他发现需要的质量大得难以相信，于是又立即
放弃了这个猜想。关于银心巨型黑洞的第一个严肃的预言是在1971年作出的，那时
还没有什么射电和红外资料支持。预言者是剑桥大学的唐纳德·林登一贝尔（
Donald Lyndenrae购和马丁·里斯（Martin ReeS）。这其实是林登一贝尔的一些
较早工作的合乎逻辑的结果，他在1969年建议所有星系的核心都隐藏有巨型黑洞，
其周围的辐射能流则由可得到的气体原料数量来调节（两位俄国天体物理学家，雅
可夫·泽尔多维奇和伊果·诺维柯夫（IgorN。Vik。V），于1964年提出，落向超
大质量黑洞的气体吸积可能是类星体的能源）。

    河外天文学的发展倾向于支持这个设想。与活动的赛弗特（Seyfert）星系尤
其是类星体比较，人马座的黑洞就相形见细了。然而，近来似乎有比过去已观测到
的多得多的剧变事件在银河系中心发生。当有200万颗恒星被束缚在巨型黑洞附近
时，平均每1万年就会有一颗恒星偏离其圆轨道而落向黑洞，于是它就会被巨大的
潮汐力所粉碎（这将在下面谈到）。一部分碎片将被黑洞吞噬，从而出现几十年时
间的活动期，其余的碎片则被抛入一个很扁的轨道。已有人在认真地考虑，在
IRS 16中观测到的暖云会不会就是在过去100万年中被黑洞撕裂的恒星碎片，这些
云的数量与每1万年碎裂一颗恒星的频率是相符的。

    所有这些似乎都表明，我们银河系的中心是那些发生着剧变现象的遥远星系中
心的一个缩小版本。

    　星系世界

    天文学家用现代望远镜能看到几十亿个星系。就像以前市丰（Buffon）对动物
作分类那样，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在本世纪初也将星系按形态分成椭圆
、旋涡、棒旋和不规则的这几类。前面已经看到，银河系是一个旋涡星系，有三个
组成部分，即核球、有结构的盘和弥散的晕。棒旋星系通常也有两条卷曲的旋臂，
但中心是一个律状部分。不规则星系类似旋涡星系，但没有晕和核球。而椭圆星系
则没有盘，却像旋涡星系那样有很大的核球和曼。椭圆类型中有着最大的星系，群
集着上万亿颗恒星，椭圆星系的主要特征是只包含恒星，而几乎没有气体。

    一般认为，所有星系的年龄都相近，即150亿年，它们的形态不同是因为有着
不同的"新陈代谢"。星系的新陈代谢是气体转化为恒星的速率，这也是星系"生命
"的标志。这样看来，椭圆星系是初始转化速率最快的，绝大多数气体云还没来得
及相互作用并逐渐落到盘上，就已经转变成了恒星（两团气体云的碰撞会耗散大量
的轨道能量，使得它们落向星系的"赤道面"）。旋涡星系则不同，其初始代谢作用
很慢，直到气体已在盘上铺开以后，恒星形成过程才发生。不规则星系则介于二者
之间，不到一半的气体已变成恒星，因而也就没有一个确定的形态。

    单从代谢作用来看，星系的演化似乎是相当平静的。椭圆星系里代谢过程已经
冻结，旋涡星系里则有着一种缓慢地缩减的循环，即恒星诞生，毕生锻造着重元素
，继而爆发使周围气体加浓，然后是新一代恒星形成，每一代新恒星都吸收进前一
代制造出来的元素。

    　活动核

    天文学在过去30年中的革命性进展之一是认识到星系不只是产生恒星光。有些
星系的核心隐藏着本质上不同于恒星的强大"非热"辐射源，银河系就是最显而易见
的一个，尽管其核心产生的能量只及其盘和晕中10皿亿颗恒星总辐射能量的千分之
三。但是，在已观测到的星系中有那么百分之一，其中心活动非常之强，在一个小
到像太阳系那样的区域里产生的非热辐射能量超过星系其余部分辐射能的总和。这
些活动星系核的中心有着极为强大的"发动机"。

    类星体（这是60年代初发现这类天体时所起的名称"类似恒星的天体"的简称，
因为它们的点状表象类似于恒星。后来的更先进的仪器已经显示出它们周围的星云
状结构，它们实际上是遥远星系的明亮核心。）3C273是用以描述活动星系所提出
的问题性质的一个极好样本。在所有的天文现象中，类星体无疑是最有刺激性的，
这是因为它们辐射大得令人难以置信的能量。3C273与地球的距离为30亿光年，比
普通星系亮1000倍。它看上去是一个点源，因而尺度必定很小，测量结果其直径小
于1光年。它的体积与银河系相比，就如同埃弗尔铁塔与地球相比，它的辐射能量
又怎么能比银河系强上千倍的呢？

    活动星系核的全部问题都由这个极端的样本体现出来。我们今天关于活动星系
核的"中心发动机"如何运转的知识，相当于60年前关于恒星内部结构的知识，我们
那时还不知道恒星是由其核心的热核反应来提供能量。由于核物理的进展，我们才
得以理解为什么恒星会具有观测到的质量和光度，才能计算它们的结构并追踪它们
的演化。对星系来说，现在还根本没有得出这样清楚的图像，然而，巨型黑洞对周
围物质的吸积，其作用可能类似于恒星中热核能量的释放。下面就来解释这是什么
缘故。

    　五环难题

    活动星系核家族包括许多种类的河外源，如类星体、射电星系、赛弗特星系、
蝎虎型天体、爆发星系等。对每种类型观测特征的详细描述将超出本书的范围，我
们这里主要关注的是它们的共性，尤其是它们对天文学家提出的难题：中心发动机
的实质是什么？这个难题可以分为五个部分，即辐射的非热性质，质量的高度集中
，光度的变化，延伸到很远距离的气体喷流，以及与正常星系的相似性。

    活动星系核可以在几乎所有波长上被观测到：射电、红外、可见光、紫外和X
射线。最引人注意的特征是辐射谱的形状，即辐射强度作为频率的函数的分布，它
与恒星或恒星集团的不同。恒星表面的辐射与理想黑体（见"黑洞与黑体"一节）辐
射很相似，可以由一个特征温度来表述，被称为热辐射，而活动星系核的辐射却是
非热的。最明显的例子是射电星系的同步辐射，即由以接近于光速的速度在磁场中
运动的高能电子发出的辐射。

    　质量心理学

    许多理论和观测上的论证表明星系核心物质是高度集中的。第一条论证是对任
何一个源发出辐射总量的很一般的限制，与源的具体性质无关。一个质量一定的物
体的辐射光度不可能超过一个被称为爱丁顿光度的临界值。道理很简单，一个稳定
辐射源，其辐射所具有的外向压力不可能超过把源物质维持在一起的内向引力（这
里的前提是稳定源，超新星的光度远远超过爱丁顿光度）。爱丁顿光度是这两种力
相等的极限情况。假如太阳的光度增大25万倍，它就会蒸发，因为它的引力已不足
以维持自身气体的聚集。一些温度很高的年轻巨星的辐射很接近爱丁顿光度，因而
很快地"吹走"自己的气体外壳。如果辐射源不是一颗恒星而是一个在吸积气体云的
黑洞，气体云辐射的压力就不可能超过黑洞对气体粒子的引力，不然的话粒子就会
被推开，吸积也就停止。

    假定活动性很强的星系核是以爱丁顿光度辐射，则对它们光度的测定就能给出
对质量的估计。活动星系核的光度在太阳光度的1000亿倍到107亿倍之间，因而它
们的质量在100万到100亿Mpe间，最高的质量对应着最活动的核，即类星体。

    支持大质量中心发动机思想的第二个理论证据是效率，源的光度总是一定质量
转化为辐射能的结果。先来考虑恒星中心释放的热核能量，这已被习惯地看作是很
有效地把质量转变成能量的机制。当1000克氢转变成氦时，只有7克质量损失--转
变成辐射能（见"火的抗争"一节），也就是说热核反应释放能量的效率只有0．7％
。假如活动星系核释放的能量也是由于热核反应，那么一个类星体就得每年消耗

    1000个太阳质量才能实现其光度。有很好的理由相信类星体的状态持续数百万
年之久，这就是说一个类星体所消耗的总质量相当于整整一个星系。如果再进一步
考虑到所涉及的体积又很小，那么这个要求确是太过分了。是不是有比热核反应更
有效的机制呢？

    由前面所讲的双星X射线源已可看到，强引力场中的能量释放堪当此重任。当
吸积盘中的1000克氢缓慢地落入黑洞时，约有100克质量转变成能量，这个效率比
热核反应的高得多。正是这种对可由引力场中获取巨大能量的认识，鼓舞着天体物
理学家借助于致密天体来解释最剧烈的天文现象，无论是恒星尺度上的新星和X射
线源，还是大得多的尺度上的星系核。一个新的充满活力的天体物理分支，即相对
论天体物理，在对年代兴起，它所研究的就是致密天体引力场中物质的行为。

    如果没有观测证实，则关于活动星系核中集中着巨大质量的理论设想就只是一
种设想。有两个方法可以近似地测量星系核的质量，但只适用于邻近的星系（类星
体不用这种测量，其质量可由光度来得出）。第一个是依据星系核附近恒星光的分
布，如前所述，这个方法已被用于研究球状星团的中心（见"球状星团"一节）。如
果有一个中心大质量存在，恒星就会被吸引而会聚，光度就会急剧增大。第二个方
法是由核心周围物质的运动来推导中心质量，已被成功地用于银河系中心（见"人
马座的银心黑洞"一节）。对河外星系的情况，核心附近恒星的速度可以测量，老
认为恒星在作圆周运动，则中心质量值可以被推算出来。

    这两个方法在1978年被成功地用来测量椭圆星系梅西叶87的核心质量，该星系
是天空中最强的射电源之一。结果表明中心质量在30亿到50亿M之间，此外，梅西
叶87的核心也不及全由恒星组成的那样明亮。这可能是对超大质量黑洞的首次观测
发现。但是，像银心的情况一样，有理由对恒星速度的估计提出疑问：如果恒星是
在沿径向运动而不是作圆周运动，中心质量就不会有那么大。

    继梅西叶87之后，对邻近星系的核心作了系统的研究，活动核（如赛弗特星系
的情况）的中心质量一般估计为1000万到1亿M之间。目前的记录保持者是NGC6240
，它看来有一个质量为500亿M的巨大暗核。当然，"引力发动机"要有高效率，质量
就得不仅是很大，还要报集中。对射电星系，可以用长基线干涉仪（即将多架射电
望远镜分置于地球上各大洲，相隔数干公里，分辨能力就大为提高）来直接测量辐
射核的最大尺度。对分辨得最好的邻近源所得的结果表明，中心质量被限制在小于
1光年的范围内。

    　光变

    对那些不是射电源的活动星系核，可以由光变来间接地确定其尺度。

    第16章已讲过为什么一个源的光变可以指示出其尺度，这是因为源的构型的变
化不可能传播得比光速更快。比如说，如果一个活动核的光度在一天里发生了可觉
察的变化，则这个源的尺度必定是在1光天，即260亿公里之内。

    前面也讲过，一个源的光度可以用来计算其质量，显然，源的尺度必定大于同
质量黑洞的史瓦西半径。质量为1亿M的黑洞的尺度约为1光小时，于是1个1亿Mpe量
的活动核就不可能在短于1小时的时间内发生光变，因此，源的特征光变时间就成
为其致密程度的重要标志。

    多数活动核的绝大部分辐射是在一个到几百个史瓦西半径之间的区域发出的。
一个光变特别显著的活动核是OX169其X射线光度在100分钟里增至3倍，表明中心辐
射源尺度与土星的公转轨道相当。显然，需要有一种特殊的致密源来为类星体提供
能量。

    　宇宙喷流

    半人马座A是最邻近的射电星系，距离为1600万光年。它并不是一个很强的源
，但有两条壮观的电离气体流从星系中心的两侧喷出，并远远越过星系的光学边界
而延伸到100万光年之遥。这种宇宙喷流的终止处是发出同步射电辐射的云块，被
称为瓣。

    在可见光段半人马座A是一个非常美丽的天体，像是一个隐藏在尘埃层后的椭
圆星系。它的核心有一个小的变化的射电源，尺度为光小时量级。虽然校的射电功
率相当低，但它注入瓣中的能量却相当于几百万颗超新星爆发，这表明半人马座A
的活动性很强，其中心发动机的质量至少为1000万Mop。这种双喷流结构不是半人
马座A所独有的，而是射电活动核的一个显著特征。近几年中，天文学家已使用长
基线干涉仪分解出喷流像俄罗斯套娃娃那样的结构。长度为几光年的微喷流从致密
核心射出，并与延伸到数百万光年远处的大喷流精确地连成一线，这样长距离上严
格瞄准的气体结构表明，发出喷流的中心源对方向的"记忆"能保持数百万年。这种
宇宙喷流是在像SS433（见"从恒星到星系"一节）这样的恒星系统里观察到的喷流
的放大形式。这种类比进一步支持了大质量转动致密天体作为中心发动机的思想，
转动轴的方向也就是气体喷射的方向。

    马丁·里斯建议，那些显示最剧烈光变的活动核，其"喷气"方向正巧朝着地球
。这个主意是为着解释一类令人困惑的活动核，即所谓蝎虎型天体（这类星系中的
第一个是在蝎虎座发现的，起先被以为是一颗变星，1968年才被证认为河外射电源
）。它们最引人注目的特征是光变比其他活动核更快，也更强烈。它们的光变时间
短到只有几个小时，以至于其辐射似乎是来自一个比同质量黑洞的尺度还要小的区
域。还有一个重要的差别：其他活动核的光谱有很强的壮，发射线（类星体的距离
正是利用其发射线的红移来确定的），而竭虑型天体的却几乎是"无线"谱。按照普
遍接受的观点，发射线是产生于中心源周围受到照射的巨大气体云，所有的活动核
都必定有这种云。

    里斯的朝向地球喷流馍型同时解释了蝎虎型天体表现上过快的光变和发射线的
缺乏。由于使义相对论效应，一个速度接近于光速并朝着观测者运动的喷过，其光
度会被放大，而表观光变时间会变短（还可以解释为什么有些喷流看上去运动得比
光速还快）。而如果蝎虎型天体的喷流确是朝向地球，来自靠近中心处的发射线就
会被喷流的极强辐射完全淹没。

    　连续与变异

    对"正常"星系，也就是核心光度弱于其余部分的星系的观测表明，它们有许多
与活动星系共同的性质。最明显的例子是银河系，其核心是一个具有高度集中质量
的射电源。看来可以合理地设想，活动星系核并不是什么外来的怪物，而是处在有
利于中心活动的演化阶段的星系。

    活动星系核最重要的性质是具有高度集中的大质量。前面所讲的观测方法能用
来估计任何一个邻近星系核的质量值，只要它不被尘埃所遮掩。这些方法对邻近星
系核的应用已经在过去几年产生了，并正在继续产生出惊人的结果：中心大质量的
存在似乎是几乎所有星系的共同特征，无论是旋臂型的还是椭圆型的，是巨型的还
是矮型的。在众多的事例中，这里只介绍特别有趣的两个。

    银河系属于一个约有20个成员的星系群，居于支配地位的是仙女座大星云。它
与地球的距离只有200万光年，用肉眼即可看见。它是银河系的近亲，也是旋涡星
系，化学成分相同，也有小的卫星系，只是尺度比银河系大了将近一倍半。由于它
的盘面不与观测方向平行，它的不活动核心可以用光学望远镜观测，并且可以测量
核心附近恒星的分布。最新的计算表明，它的暗弱中心的质量为

    1000万M，这个星系有着型号挺好的中心发动机，不过没有运转。

    梅西叶32是仙女座大星云的卫星系之一，是一个质量相差一百倍的矮椭圆星系
，完全不活动，只不过是一群绕核心转动的高龄恒星的集合而已。气体和尘埃的缺
乏使得可以很高精度观测其核心部分，并得以计算出恒星是在围绕一个500万M／
wi的看不见的中心质量运转。这个矮星系的心脏和银河系的一般大。

    由此可见，如果大多数星系的核心都有着巨型黑洞，那么它们活动的程度则取
决于见光年半径内恒星和气体，也就是"燃料"的密度。梅西叶32虽有巨大的发动机
却完全不活动，也就不足为怪，因为这个椭圆星系很小，包含的恒星不多，并且完
全没有什么气体。梅西叶87是另一个极端，这个巨大的椭圆星系里可能有一个50亿
M的黑洞。它的核心有一定的活动性，但比类星体要弱得多。按照它的光度来推算
，每年只需有万分之一太阳质量的气体被吸入黑洞即可。这个数量的物质是很容易
由黑洞附近的数百万颗恒星来提供的，因为恒星在其演化进程中丢失气体是一种正
常现象。梅西叶87有可能是一个熄灭了的类星体，那个类星体的马力开得最足的时
期大约是在10亿年前，那时尽管它距离地球有5000万光年之遥，亮度却与水星相当
，因而应能在夜间用肉眼看到。

    　其他能源机制

    探测到活动星系核中物质的高度聚集，还不是巨型黑洞存在的确定证据。原则
上，其他两种天体也同样可以成为致密的和高效的发动机：极端密度的星团和单个
的超大质量恒星。这些参与竞争的模型能经受得住更严格的考查吗？回答是否定的
。

    星团模型的基础是星团内异常的超新星爆发率。超新星作为大质量恒星热核演
化的自然结果，在统计上是很稀少的：一个星系里每百年只有几个。但是，在很密
集的星团里，超新星爆发的频率会由于恒星碰撞而增大。两颗恒星碰撞的结果，通
常是并合成一颗大质量星，这颗星就会更快地朝着超新星状态演化。计算表明，在
一个包含10亿颗恒星的密集星团里，恒星间的碰撞是如此频繁，可能形成的大质量
恒星是如此之多，以至于每年可以有10次超新星爆发。

    星团模型有三个主要问题，首先，它不能解释类星体和蝎虎型天体光度的巨大
变化。相对于类星体的烈火来说，每个超新星爆发只是燃着一根火柴，为产生类星
体的光变，必须有一千个超新星同时爆发。其次，星团不能产生出大尺度的稳定的
宇宙喷流，因为它不能给定一个特别的方向来推斥物质。第三，也是最严重的反驳
是，致密星团是极不稳定的。聚集在1光年半径内（这是由观测给出的限制）的10
亿颗恒星的集团，只能维持100万年就会坍缩成为黑洞。这么多活动星系校要在这
么一个短暂而特殊的演化阶段都被观测到，那可真是一个奇怪的巧合。奥克姆剃刀
再次干预，排除了致密星团作为活动星系核能源机制的可能性。

    超大质量恒星模型的遭遇也不见得好。恒星结构的理论已经说明了为什么观测
不到质量超过100M的恒星。不过，天体物理学家仍在不断地推测10万到1亿M的超大
质量恒星的存在。这种恒星的主要特征应当是极其明亮，但这也正是问题之所在：
这种星只是一个巨大的光子球，而光子球并不是稳定的系统，即使这种星通过某种
尚无人知晓的机制形成了，它们也必定很快就爆发或是坍缩。

    由于此路不通，又有几个超大质量星的变种被发明出来，以期能维持巨大质量
的稳定存在。一种叫做"巨转星"，就是快速转动的超大质量星，由离心力来维持平
衡。还有所谓"巨磁星"，依靠巨大的内部磁压来稳定。这些猜想的星都像是放大的
脉冲星，都有能为喷射物质提供特定方向（转动轴或磁轴方向）的优点。但是，广
义相对论证明，它们本质上都是不稳定的，主要原因是引力波造成的能量损耗，而
且，巨型脉冲星会产生周期性光变，而这从未在任何活动星系核中观测到。

    总之，为解释星系核的活动，巨大的吸积着的黑洞是唯一能符合所有理论和观
测要求的模型。这种黑洞的形成是由广义相对论预言的，而且已被确认是所有大质
量天体引力坍缩的最后结果。黑洞是稳定的，能通过吸积物质而成为将引力势能转
化为辐射的理想场所。最后，黑洞不仅能释放落向它的物质的能量，而且它自身也
能提供巨大的转动能（见第11章）。由于转动轴能为喷射物质提供特许的方向，转
动黑洞附近也能产生气体喷流，类似于恒星SS433，却是在大得多的尺度上（见图
66）。

    　怎么吃

    取10％的平均效率，则光度最小和最大的活动星系核需要消耗的气体分别是每
年0．of 和100倍太阳质量。这些物质是如何被提供的呢？

    在像银河系这样的旋涡星系里，恒星每年喷发出一个太阳质量的气体。难以理
解的是。这些散布在10万光年直径的盘里的气体，怎么才能被引导到直径只有1光
年的小小核心里？另一方面，有些椭圆星系虽然没有星际气体，却也有活动性，主
要的表现就是发射出射电喷流。

    因此必定存在一种更激进的机制，能在核心区域自身内产生出大量气体。既然
气体是被包含在恒星里，黑洞要进食就得击碎恒星。

    巨型黑洞完全能够吞噬整个的恒星。太阳同一个巨型黑洞相比，就像是砂粒之
于足球，但是，这种吃法并不释放能量，恒星的所有能量都消失在黑洞之中，而黑
洞只不过稍稍增大点质量而已。要使能量释放，恒星就必须在黑洞外面破碎，导致
有些碎片能成为吸积盘的成分。

    　管星式恒星

    在许多方面，沉浸在星团里的巨型黑洞，与被誉星"随从"所围绕着的太阳报相
似。星团中的恒星就像一种能量储藏器，一般情况下离黑洞甚远，因而几乎不受中
心引力场的影响。但是，一已有的恒星在黑洞附近掠过，就会受到加速而偏离原有
的轨道，有时其中一颗星会直接落向黑洞。从这时起，这颗星的命运就完全由吸引
它的引力饼和照射它的辐射场来控制。像靠近太阳的管星那样，这颗星也受到很强
的辐射，辐射不是来自黑洞，而是来自其周围吸积盘的高温区域。恒星于是开始蒸
发，逐渐脱去外层，直到露出热核反应的核心。如果这颗星并不过份靠近黑洞，它
就还能沿抛物线轨道离开引力讲，不至被损坏得太严重，并且在几年后会返回到原
先的位置，否则，这颗"香星式"恒星就会由于失去了太多的轨道能量而被黑洞束缚
在一个椭圆轨道上，并且越来越向中心靠近，在每次经过"近心点"时都丢失一些气
体。

    但是，若星式恒星的蒸发只能为黑洞的食物供给作出很有限的贡献，星系核的
活动要求黑洞消耗相当于整个恒星的气体。有两种情况能使恒星以适当的方式瓦解
：一种是黑洞附近的两颗管星式恒星的碰撞；另一种是单个恒星被黑洞的潮汐力撕
裂。

    　恒星碰撞

    太阳系里两颗管星相撞的机会是微乎其微的，而在黑洞附近就不是如此。恒星
之间碰撞的理论表明，两颗太阳类型恒星的低速（低于500公里／秒）碰撞是"软"
碰撞，它们将粘结在一起，成为一颗大恒星。如果它们的速度大于500公里／秒，
恒星就会被撞成碎片并散射开去。在星系盘甚至星团里，恒星的速度很少有超过
200公里／秒的，然而，巨型黑洞的极深力洪能把附近恒星加速到每秒几千公里的
速度。可以计算出，在一个10亿M黑洞周围10光年的范围内，香星式恒星的碰撞是
毁坏性的，发生的频率为每年10次。碰撞的碎片成为气体云，在围绕黑洞的轨道上
运转，填充着黑洞的"食品柜"。

    不过，恒星间的碰撞看来只能作为那些含有很大黑洞的类星体的维持机制。对
于那些其中黑洞较小、活动性也差些的星系核，恒星碰撞的频率就太低，以至于可
能根本不起什么作用。

    　黑潮汐

    巨型黑洞周围最惊心动魄的现象恐怕就是恒星被潮汐力所粉碎了。当一颗恒星
在黑洞附近运动时，它靠近黑洞的一侧所受的引力比另一侧所受的要强，两侧受力
之差就是由黑洞所施加的潮汐力（见"宇宙高尔夫球场"一节）。如果恒星运动的轨
道近似是圆形的，潮汐力就总是很小，恒星能够调整其内部结构，成为朝向黑洞拉
长的形状，以与外力相适应。但是，如果恒星是在黑洞引力场内的一个偏心轨道上
运动，潮汐力就会随着它与黑洞距离的减小而迅速增大（在黑洞中心潮汐力成为无
穷大，见"轻率的宇航员"一节），于是就会有这样一个位置，潮汐力达到与把恒星
约束在一起的力一样大，恒星就再也不能调整其内部结构，而是开始急剧地变形，
并被无可挽回地瓦解。

    这种壮烈的事件只有当恒星行进到与黑洞的一个；临界距离以内时才会发生，
这个距离称为洛希限度，因法国数学家洛希在1847年研究行星与其卫星之间的潮汐
力问题而得名（络希的名字也被用于命名表征双星弓I力影响范围的"洛希瓣"，见
图59有趣的是，一颗超过了洛希限度的恒星的破碎，就像它与另一颗相对速度超过
500公里／秒的恒星相碰撞时一样容易。恒星一旦穿越洛希限度，它就像是与自己
碰撞一样）。

    洛希限度的大小主要取决于黑洞的质量，如果黑洞质量太大，即超过1亿M，黑
洞半径（与质量成正比）就会比洛希限度大。这种情况下恒星只有在黑洞内部才会
被潮汐力破碎，所有碎片自然也都在黑洞之内，天文学家也就什么都观测不到。对
于质量较小的黑洞，恒星能在黑洞外被潮汐力摧毁。这就是为什么今天的大多数天
体物理学家相信，赛弗特星系和那些几乎不活动的星系核里有着质量在11万到1亿
Mpe间的黑洞，这些黑洞在吞食着由潮汐力撕裂的恒星碎片；而类星体和明亮的星
系核里有着质量更大的黑洞，吸积原料则由恒星碰撞来提供。

    　"薄煎饼"

    关于恒星被潮汐力变形和破碎的描述长期以来是以洛希对行星周围圆轨道上液
体或固体卫星的研究为基础的。他证明，一个天体在另一个近邻大质量天体潮汐力
作用下，会趋于在朝着后者的方向上伸长，而在垂直方向上收缩。这就是海洋面不
仅在最靠近月亮处较高（那里受到的月亮引力最强），而且在正相反的位置上也较
高的缘故（图67）。如果潮汐力相当大，如在一些很紧密地束缚着的双星系统的情
况中，天体就会被拉成瘦长，像雪茄的形状。洛希限度就是这样一个距离，比它更
近时变形会如此严重，以至于天体不再能稳定存在，而是开始破裂。

    尽管以上所述对地球一月亮的情况是正确的，对黑洞一恒星系统却未必如此，
因为天体的类型大不相同。布兰登·卡特和我本人几年前在默冬天文台决定重新考
查这个问题，我们发现了未曾预期的现象，使得一些已被人们认可的关于天体被摧
毁的概念受到了挑战。

    黑洞一恒星系统与行星一卫星系统的差别主要是两点。第一，香星式恒星的轨
道不是圆形的，而是拉得很扁的。一颗恒星要到达潮汐力具有破坏性的区域，它就
必须沿很偏心的轨道运动。如果银河系中心确有一个质量为300万M、半径为1000万
公里的黑洞，则任何一个像太阳这样的恒星行进到距黑洞2亿公里以内时都会被摧
毁，因为这个距离就是银心的洛希限度。我们给自己提出的问题是这样的：对于一
颗深入到了洛希限度以内而又没有被黑洞吞噬的恒星，将会发生什么？在1000万公
里的黑洞表面和二亿公里的洛希限度之间，毕竟还有很大的空间。潮汐力与到黑洞
距离的立方成反比而变化，这就是说，在比洛希限度小10倍的距离上，潮汐力比在
络希限度处要大1000倍，而后者本身已大得足以摧毁恒星。因此一颗进入到洛希限
度以内深处的恒星看来会比仅仅擦过该限度的恒星遭遇到凶暴得多的灾难。

    黑洞一恒星系统第二个重要的特征是承受潮汐力的天体的性质：太阳这样的恒
星与月亮或行星不同，是由气体而不是由岩石组成的，因此就更容易被潮汐力压缩
。这正是深入到巨型黑洞的洛希限度以内的恒星所要发生的变化。虽然开始时它趋
于变为雪茄形，但潮汐力像巨大的轧机一样很快就把它压成摊在轨道平面上的薄饼
（图68）。

    压缩意味着加热，这两个过程都很敏感地依赖于进入洛希限度以内的深度。如
果恒星只是刚刚擦入该限度内，潮汐力还不足以压缩它，它就像一只巨大的水球一
样，被拉长成雪茄形并膨胀，终于在再从洛希限度内出来后碎裂。与此相反，如果
恒星深人到小于洛希限度10倍的距离，它就会被潮汐力高度压缩，在0．l秒内密度
增大1000倍，温度升高100倍。当然，恒星最终也会碎裂，组成它的气体会消散，
但在此之前它却像一个巨大的极高温极高密度的薄煎饼。

    　黑洞引爆器

    恒星被挤压成"薄煎饼"的最惊人后果是其中热核爆炸的发生。支配着能量流的
热核反应速率密切地依赖于温度。对于一颗处在流体静力学平衡中的恒星，如像太
阳，其中心密度是100克／立方厘米，温度是开氏1500万度。在这种"正常"条件下
，占支配地位的核反应是氢聚变，反应速率极其缓慢（见第4章）。

    如果一颗恒星碰巧落到了巨型黑洞的洛希限度以内，其中心温度就会在0．l秒
内升至10亿度。就像导致超新星爆发的情况那样，热核链反应被大大加速了。在这
个短暂的加热时间里恒星中的氢并不能聚合，但那些原先处在呆滞状态的较重元素
，如氦、氮和氧，却能在瞬间转变成更重的元素，并释放出能量。恒星煎饼里发生
了热核爆炸，成了一种"偶然的超新星"。

    这种爆炸的影响是深远的。一部分恒星碎片作为高温气体云块被吹离黑洞的控
制范围，并能携带所有与之碰撞的其他云块一起远去，其余碎片则迅速地落向黑洞
，产生短暂的辐射爆发。像超新星一样，恒星薄饼也是制造重元素的熔炉，然后又
把这些元素遍撒于星系之中。不过，计算表明，恒星饼所产生的重元素比例与超新
星所产生的稍有不同，因此在不久的将来就可能从靠近活动星系核心的云的辐射谱
中探测这些元素，从而为恒星被巨型黑洞所炸碎的过程提供直接证据。

    超新星和恒星饼的热核爆炸的起因都是引力。对于超新星，恒星自身的引力场
使它不能保持稳定，通过核心的坍缩而引起爆发。对恒星饼来说，则是黑洞的引力
场从外部压缩恒星，并使它爆发。

    这种由黑洞的极强引力导致恒星爆发的事件是罕见的。进入黑洞洛希限度的恒
星数目本身就很有限，在活动星系核里大约是每年1颗，而在银河系核心则是每
1000年1颗，而这些恒星中只有十分之一能足够地深入，以至于爆发。但是，潮汐
力并不是制造恒星饼的唯一手段。在10亿M的超大质量黑洞附近，高速飞行的恒星
之间的迎头相撞是相当常见的（大约每年10次）。这种相撞也可以形成暂现的恒星
饼，因此，恒星饼爆发现象可以在几乎不活动的星系和类星体中起同样重要的作用
，区别只在于前者的中心黑洞质量不很大，恒星饼是由潮汐效应制造；而后者有更
大的黑洞，恒星饼是产生于恒星的碰撞。

    　同类相食

    知道了内燃机能提供动力并不等于懂得了汽车如何得以行进。虽然巨型黑洞作
为活动星系核中心发动机的模型是很有道理的，但我们仍须承认对活动过程的详情
还所知甚少，类星体仍然是宇宙中最神秘的现象之一。

    对类星体的分布而不是单个类星体的观测，已经提供了关于它们的形成、熄灭
以及对母体星系生涯的影响等方面的大量信息。首先的问题是，是否所有星系在演
化进程中都会或早或迟地经过类星体阶段，而究竟又是什么条件造就了这种壮观的
状态？学者们的想法颇有些自相矛盾。类星体只是在非常遥远的星系里被观测到，
也就是说是存在于很久以前，那么它们就应当是属于星系演化的早期阶段；而另一
方面，如果类星体所需要的巨型黑洞是由恒星级别的种子发展而成的，就又意味着
类星体是星系演化的晚期状态，大多数星系尚未到达这个阶段。

    如果所有星系都或迟或早地要经过活动阶段，观测到的类星体数量相对很少这
一事实表明，活动阶段是很短暂的，只能持续大约几万年的时间。但是关于延展的
射电喷流的观测看来又表明中心发动机的运转时间不可能如此之短，因为喷流就将
无法准直地延伸这么大的距离。然而类星体阶段又难以持续得更长，因为燃料供给
问题无法解决。综上所述，活动的类星体状态必须持续大约1亿年，而又只发生在
能够短时期地具备特别有利的条件的少数星系中。按照这个设想，类星体活动在黑
洞一旦达到足够大的质量并且可得到充分的气体和恒星"燃料"供给时就开始，并随
着燃料供给降低到某一水准之下而熄灭。这样看来，死亡的类星体应当比活跃着的
更多（类星体都位于数10亿光年之外，而其寿命只有约1亿年，因此所有现在观测
到的类星体实际上都早已熄灭）。

    只要重新供给食物，死亡的类星体可以复活。在核心区星团被耗尽之后，需要
的是从别处提供物质。星系的相遇是相当常见的事，尤其是在含有数百或数千个成
员的星系团里。最近的观测显示，许多类星体都与碰撞的星系有关联，星系内的活
动可以由星系之间的物质转移而激发，就像恒星X射线源的动力是来自对伴星物质
的吸积一样。

    还有一个事实已被注意到，就是在邻近星系中，那些成对或成群的比孤立存在
的要稍微活动一些。这个现象在拥有大量成员的星系团的中心尤为明显。那里有着
比"正常"星系大100倍的"超巨型"椭圆星系，那些星系的射电辐射特别强，并且周
围有一群卫星系在朝着它们下落。这种超巨星系因而就会通过同类相食，即吞噬邻
近的较小星系而变得更大。可以合理地设想，许多被捕获的星系中心有着大黑洞，
于是那贪吃的星系里可能就有着多重核心，即包含着多个黑洞，那些黑洞会相互扰
乱周围物质的分布，从而使吸积率增大。事实上在巨型射电星系里确已观测到几个
活动中心。然而，一群黑洞注定最终要并合成单个巨型黑洞，其表面积大于并合前
各个黑洞的表面积之和，于是在遥远的将来总有那么一天，黑洞吃光了食物，活动
星系也就沉寂下来。

    而现在，如果黑洞确是类星体的发动机，我们就得到这样一个看似奇怪的结论
：黑洞本身是肉眼所完全不可见的，但若它恰当地被恒星的气体所围绕，就会成为
宇宙中最明亮的光源。

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