揭秘银河系中心的超级黑洞

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  黑洞是什么?有人称,黑洞是“用神秘包裹起来的谜中谜”。其实,黑洞就是天体爆炸后的残留物,如此命名是因为即使光也无法逃脱其引力。现在,天文学家已经知道黑洞遍布整个宇宙,而且还在包括我们所处的银河系在内的各星系中心发现了最大的黑洞——超大质量黑洞。这些“超级黑洞”的质量超过太阳质量10亿倍甚至更多。
  
  其实,黑洞的贪婪性只表现在其视界内部,而对视界外面的一切它就鞭长莫及了。黑洞周围的吸积盘(天体以自身引力吸引和积聚周围物质的过程称为吸积,被吸积的物质在致密天体——白矮星、中子星和黑洞等——周围形成的盘状物就是吸积盘)是一个涡旋世界,涡旋物质在被吸进黑洞之前受到极大的挤压,相互间发生高速度碰撞并产生大量热量。在超大质量黑洞的情况下,吸积盘能产生数百万摄氏度高温并发射大量X射线。X射线也是光,一种眼睛看不见但可用探测器测量的光。天文学家根据测量到的X射线辐射,就可以确定有没有黑洞存在以及黑洞的特征。美国的钱德拉X射线望远镜在这方面取得了很好的成绩。
  现在就让我们来看一看星系中心超大质量黑洞是怎样被发现的。
  超大质量黑洞可以根据环绕它作轨道运动的恒星来进行测量。当一颗恒星接近一颗大质量天体时,大质量天体的引力将使恒星加速。如果恒星在作轨道运动中接近一个大质量黑洞,它将异常明显地加速,而且每接近大质量黑洞一次就会受到一次加速,就像儿童玩陀螺一样,每抽一鞭陀螺就加速一次。对天文学家来说,这些被加速的恒星就是星系中心超大质量黑洞的“魔爪印记”,只要得到这些“魔爪印记”,天文学家就能跟踪追击并最终逮住“妖魔”。所以,只要测出恒星的速度和速度变化,就能得到大质量天体的质量,再根据其质量大小就可以判定它是不是黑洞。
  星系中心的超大质量黑洞是理论研究的结果,换言之,其究竟是否存在还需要科学探测的实证。广义相对论预言,极稠密天体的引力可以严重弯曲光线,使它逃离不出去。1939年,奥本海默指出,天体在经过激烈挤压,使氢和其他燃料被挤出之后,就将形成巨星爆发。巨星一旦爆发,剩下的气体在自身引力作用下将坍缩成为一个无限稠密的奇点。奥本海默是世界上第一颗原子弹的制造者之一,他虽不是天文学家,但他的这一理论得到了20世纪60年代天文学上四大发现之一——类星体的支持。类星体现在被认为是“正在生长的黑洞”。
  天文学家用“活动星系”来描述具有异常特征——例如异常光谱辐射和异常射电辐射等——的星系。观测和研究指出,活动星系的核心(简称“活动星系核”)具有数百万到10亿个太阳质量,有一个由气体和尘埃组成的吸积盘,还有两个垂直于吸积盘的喷流,这些都意味着那里可能有一个超大质量黑洞。活动星系核唯一的能量来源,是在一个小体积内浓缩了百万个太阳质量的大质量黑洞。20世纪90年代,哈勃空间望远镜在测量其他星系最里面部分的转动速度有多快时发现,位于巨大星系最里面的星系核具有10亿个太阳质量,是超大质量黑洞。
  现在,星系中心具有超大质量黑洞已经不是什么新鲜事了。数十年来,经过对一些星系核质量的仔细证认和测量,天文学家已经初步认定了一批河外星系(银河系以外的星系)中心的超大质量黑洞候选体。
  
  按照质量划分,星系中心的超大质量黑洞仅是黑洞中的一种,此外还有三种,包括:球状星团里面的中等质量黑洞、星系内的恒星质量黑洞和微型黑洞。所谓“球状星团”是指由2000~10万颗以上恒星在空间组成的一个彼此有物理联系、有引力束缚、球对称分布的恒星集团,集团成员中大多数是非常年老的恒星。
  天文学家在解释2002年哈勃空间望远镜的观测资料时指出,球状星团M15和G1可能含有中等质量黑洞。2004年11月,有人观测指出,银河系内也有一个中等质量黑洞,其轨道距离人马座A﹡星系3光年,质量为1300 个太阳质量。这个观测给我们一个新的认识:超大质量黑洞可能是吸收了附近较小黑洞和恒星而慢慢长大的。2007年1月,英格兰南安普敦大学几位研究者报告了一个中等质量黑洞,其质量约为10个太阳质量,距离地球约5500万光年。
  在银河系内,已经发现有几个天体可能是恒星质量黑洞,这些恒星质量黑洞候选体都是X射线双星系统成员。所谓“双星系统”是由两颗星组成的恒星系统。双星系统中的两颗星在相互引力吸引下,彼此绕着共同的质量中心在天空转圈子。其中一颗叫“主星”的往往是黑洞,周围有一个由气体与尘埃组成的吸积盘;另一颗叫“伴星”的则不断地向主星吸积盘抛射物质,为主星提供辐射能量。X射线双星系统就是发射X射线的双星系统。X射线双星中的黑洞质量在3至十几个太阳质量之间。迄今已观测到的最远的恒星质量黑洞是M33星系中的一个双星系统成员。
  微型黑洞也是黑洞。英国著名天文学家斯蒂芬·霍金从理论上指出,原始黑洞可以蒸发和变薄,甚至变得很薄,成为微型黑洞。地球上粒子加速器加速的粒子可以撞击出微型黑洞,宇宙线撞击也可以产生微型黑洞。
  
  夏威夷景威尔逊光
  
  这一技术称为“适应光学”。它不仅可以用来探测银河系核心,而且还可以为天文学家提供精细的河外星系核心资料。现在,已有好几个天文台采用这项新技术测量恒星。2002年,美、德两国的科学家利用“适应光学”技术,测出星系核附近最快的恒星的速度是3%光速,由此证实那里可能存在超大质量黑洞。
  如今,银河系中心已用钱德拉X射线望远镜和哈勃空间望远镜在空间进行过探测,地面上也有5个著名的天文台进行过光学和射电观测。多种观测结果表明,银河系中心的秘密不是别的,而是一个超大质量黑洞,它位于人马座A*,只有10个太阳大小,却有400万个太阳质量,任何东西都逃不出它的无底深渊。
  
  “母亲”啖子
   星系吃“儿”
  
  宇宙中的“超级怪物”——超大质量黑洞究竟是怎样生成的呢?这得从星星和星系的诞生说起。
  宇宙中的一切物质都是由氢、氦和一些微量元素构成的,星星和星系也不例外。这些元素类似汤料,拿几种放在一起,微微搅动,一碗香浓味美的“宇宙汤”就做成了。“宇宙汤”的主要“搅拌器”是引力,引力把一团炽热的原始气体搅和在一起,成为形成天体的“氢气云”。随着时间流逝,氢气云冷却下来,浓度变大,凝结成星。这些星是巨大的,比太阳大几百倍。它们快速地度过一生,耗尽燃料,收缩爆发,进入坟墓,成为超新星;超新星外壳抛射到太空,核心部分留下来成为黑洞;黑洞作为种子,长出星系胚芽,再把其余较大的星聚集到一起,形成“婴儿星系”;一些婴儿星系在相互闪动和彼此绕着作轨道运动时被引力拉到一起,最终形成了星系。电脑模拟计算表明,银河系不是在一个简单事件中诞生的,而是由一群较小的星系“碎片”在几十亿年的过程中合并起来的。
  近年来,关于恒星的孕育和诞生出现了一场争论。这场争论是由美国天文学家赖文等人的发现引起的。2003年6月,赖文及其合作者发现,在银河系中心有30颗大质量恒星围绕银河系中心的超大质量黑洞旋转。其他科学家进一步指出,银河系中心超大质量黑洞附近的大质量恒星是年轻的星,年龄只有500万~1000万年,质量约为10个太阳质量。
  
  孕育恒星需要具备两个必要条件,一是要有气体和尘埃云,二是要有安静而寒冷的“子宫”。银河系中心虽然能够满足第一个条件,但不存在安静而寒冷的“子宫”,那么这些年轻恒星又是怎样形成的呢?一种观点认为,银盘边缘足够冷,可以形成恒星。但是,在寒冷银盘边缘形成的恒星又怎么会有热量来发热发光呢?赖文等人认为,银河系中心以及其他河外星系中心都有一个超大质量黑洞,它们是宇宙中最强的能源“仓库”。在活动星系核中,在距离中央黑洞几光年的吸积盘的边缘,由于这里的气体密度比典型的星际云高数百万倍,收缩的气体和尘埃团块在1000多年内就能够被加热到触发热核反应的温度,使收缩形成的气体和尘埃团块发出耀眼的光芒,成为一颗恒星。这样的恒星可能具有几百个太阳质量的超大质量,在它们周围甚至还能诞生作轨道运动的行星。
  吸积盘里的物质处在激烈的涡旋状态。在超大质量恒星诞生后,吸积盘仍在涡旋。但是,在恒星形成后,吸积盘里的涡旋速度会随着吸积盘半径的减小而减小,于是,吸积盘从自身边缘一直减小,直到形成超大质量黑洞。计算表明,整个涡旋过程大致需要1000万年。在这之前的几百万年内,恒星耗尽燃料,爆炸成为超新星;超新星爆发时外壳散发到宇宙空间,内部核心继续向下涡旋,形成20~30个太阳质量的黑洞。
  诞生在星系盘边缘的恒星可谓“与狼共舞”,因此它们时刻都有被星系中心巨大黑洞吞噬的危险。如果我们把星系中心的巨大黑洞当作母亲,把星系盘边缘的恒星当作儿子,那么“母亲”分娩“儿子”是顺乎自然的,但这些生活在“母亲”身边的“儿子”却注定要成为“母亲”的“食粮”——当它们走完生命旅程、成为超新星时将成为一些小黑洞;小黑洞的涡旋速度不可抗拒地慢慢减小,最终消失在较大黑洞里面。
  这种不和谐的情况也发生在两个星系之间。当两个星系靠得很近以至于彼此能感到对方的引力作用时,就开始把围绕星系中心作轨道运动的恒星的优美“芭蕾舞步”变成了巨大漩涡。这种不和谐情况没有其他方法可以解释,唯一的说明就是星系吃星系,拿邻居作美食。出现这种情况时,如果吞噬别人的星系中心有黑洞,那么它也会被黑洞吃进“嘴”,咽下“肚”。星系不断变大,而在星系中心的黑洞也不断合并变大。
  天文学家对“母亲啖子”和“星系相残”现象很关注,因为广义相对论预计,“婴儿黑洞”在最终被它的超大质量“黑洞母亲”吞并时,将产生很强的引力波爆发(引力场以波动的形式传播,这种波动的场称为引力波),在爆发中大约有10%的小黑洞质量转化成引力波,出现一个持续几小时、强度极大的信号。科学家模拟了黑洞合并时所产生的引力波信号,确信宇宙中存在两类产生引力波的事件:一是星际黑洞产生的引力波,二是镶嵌在吸积盘里的黑洞产生的引力波。这两类事件产生的引力波的声音显著不同,星际黑洞产生的引力波的声音是一系列复杂的爆破声,而镶嵌在吸积盘里的黑洞产生的引力波声音则很像连续不断的哮喘声。根据探测到的引力波,不仅可以测出有没有黑洞,而且还可以测出是哪一种黑洞。
  现在,许多科学家跃跃欲试,想在引力波观测方面一展才华。为此,他们研制出了各种引力波探测器。但是,这些探测器的探测频率较高,而引力波的频率却极低,结果到目前为止,还没有人使用它们真正探测到引力波。科学家猜想,如果把探测器带到太空探测,情况或许会好一些。美国宇航局和欧洲空间局正计划发射一组人造卫星来探测引力波。这组卫星叫做“激光干涉仪太空天线”(简称LISA)。
  
  
  黑洞进食邻里遭殃
  
  如果银河系中心的“怪物”——超大质量黑洞哪一天勃然一怒,我们的地球就会遭殃。难怪几年前一家国外报纸在请10位世界顶尖科学家列出“未来70年可能会出现的灾难”的清单时,他们将“黑洞吞噬地球”列在榜首。其余的灾难还有:机器人控制世界、染色体末端变短、核战争摧毁文明、超级火山大爆发、气候完全改变、巨大陨石撞击地球、宇宙射线大爆发、大瘟疫流行、发生大规模恐怖袭击。
  那么,有没有办法阻止这个“怪物”发怒呢?科学家说,只要安排好它的“食物”就行了。
  在黑洞周围的吸积盘里,物质处在高速涡旋状态。在黑洞的巨大引力吸引下,涡旋的物质旋进黑洞视界,称为“进食”;反之,涡旋的物质只在黑洞视界外面盘旋,称为“厌食”。黑洞在绝大多数时间内是不进食的,它厌食的时间多于进食的时间。但是,黑洞一旦进食,就可能给周围星系造成巨大的影响。
  银河系中心的超大质量黑洞在遇到周围物质时基本上都会狼吞虎咽。它是处在进食状态还是厌食状态,主要看它是否被激活。被激活它就进食,处于爆发状态,反之它就厌食,处于宁静状态。
  多年来,银河系中心黑洞似乎都是厌食的,因此银河系很平静。但是,1999年,天文学家发布一条消息称:钱德拉X射线望远镜探测到一个从银河系中心发出的很强的信号。这个信号是从黑洞视界附近发出的。天文学家虽然不知道这是不是黑洞狂暴的开始,但他们相信这是一条热点新闻——银河系中心黑洞已经多年没有活动了,突然间出现一次爆发能不让人惊奇吗?
  除钱德拉X射线望远镜观测到这次爆发外,以贝克林等人为首的5个地面观测队也从地球上观测到了这次爆发。
  这些地面观测队的成员都是星系中心研究专家,他们原来一心跟踪恒星轨道、寻找银河系中心黑洞存在的证据,现在则转移观测目标,尝试测量黑洞的“胃口”。
  一支观测队在智利南方天文台观测,还有一支观测队在夏威夷的山顶窥视星空。他们计划用短暂的5个夜晚寻找黑洞,然后测量黑洞究竟“吃”掉了多少能量。可是,天公不作美,仪器不帮忙,5个观测之夜中只有1个夜晚观测成功。智利观测队首先观测到一个新的光点,这是多年没有出现过的爆发。队员们清楚地看到了银河系心脏的一次“搏动”。由于观测点地理经度的差异,夏威夷观测队没有抓住这次观测机会,不过在第二天晚上,队员们观测到了在爆发中物质落进黑洞的十几分钟过程。
  这次爆发发生在人马座A*附近,是因一些物质落进黑洞、一些物质逃离黑洞而产生的。如此复杂的天体变化过程,地面观测者只是见到星光微微一闪,持续时间不过15分钟。尽管如此,这15分钟的闪耀却展示了银河系中心的一场重大的爆发活动!
  实际上,1999年人马座A*附近的爆发不过是银河系中心超大质量黑洞的一道“小吃”,根本无法同遥远星系的“大餐”——巨大喷流相比拟。
  现在,天文学家正在对遥远星系进行探索,他们编制出了10亿光年内的大星系表。他们将天空分成许多小块,每一块天空制作一块钢板,板上刻有许多孔,每个孔代表视野里的一个完整星系。孔内插进纤维光学敏感器,可以探测涡旋进黑洞的炽热气体信号。通过观测,天文学家已经发现了许多黑洞,而且黑洞数目还在逐年增多。
  天文学家说,星系中心的超大质量黑洞是星系问题的重要组成部分,要想透彻了解星系,就必须透彻了解它们。
  (本文图片由美国宇航局提供)
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