星球发动机（星系的发动机）

“创造的神秘，有如夜间的黑暗。”——泰戈尔

ESO / M. Kornmesser

黑洞是一种相当有意思的天体。在它和宿主星系间的相互影响方面，还存在着一些令人费解的谜团。

在开始这个话题前，我们首先要排除所有小型恒星级黑洞，这些小型黑洞游离在星系盘中，虽然本身也足够迷人，也能产生壮观的喷流和能量输出，但它们的能量无法对整个星系产生影响。我们关注的只是星系中心的黑洞——超大质量黑洞。

超大质量黑洞的质量通常可以达到太阳的十亿倍以上，这是它们和恒星级黑洞的主要区别——后者的质量只比太阳大几倍。尽管如此，超大质量黑洞并不罕见——每个大型星系的中心都有一个。天文学家对星系及其黑洞的观测结果表明，黑洞的规模和星系的规模是同步增长的；较小的星系内，超大质量黑洞的规模较小；较大的星系内，超大质量黑洞的规模较大。

黑洞经常被称为“星系发动机”，因为它们能够产生巨大的能量。它们输出的能量，差不多可以达到太阳输出能量的数百万倍以上。这种能量的输出，其实是黑洞吸收外部物质生长过程中的副产品，通常表现为沿着黑洞磁场线，以极高的速度（可达光速的很大一部分）向外喷涌而出的物质流。“发动机”这个比喻反映了黑洞具有把物质（通常是气体、尘埃，甚至恒星）转化为能量的能力。这和汽车发动机可通过燃烧，把汽油转化成能量，进而给汽车提供动力的道理是一样的。

邻近椭圆星系M87产生的著名喷流。NASA / 哈勃

我们可以把发动机这个比喻作些引申——汽车的功能会因发动机的开启或关闭而产生差异。因此如果黑洞“开启”——也就是说当它们吸取新的物质，产生巨大的能量时——星系理应会受到影响。比方说，可能会给星系中恒星的产生数量带来冲击。但天文学家的意见仍未就此达成一致。

对于新生的星系来说，情况有所不同。研究早期星系，需要观测极为遥远宇宙。那里的光在到达我们眼中时，已经飞行了数十亿年，因此我们看到的，是这些星系远古时代的样子。在远古时代的宇宙中，我们发现了一种十分有意思的天体——类星体。

类星体3C 273的哈勃影像。我们无法看到它所在的星系，因为类星体本身的闪光过于明亮。ESA / 哈勃 / NASA

类星体的全称是“类恒星射电源”（或“类恒星天体”，因为它们并不都产生无线电波）。它们是一种极度明亮的点状光源，在天空中看起来就像是恒星一样（经常会在照片上曝光过度，或产生眩光）。但是光谱分析结果表明，这些天体并不是恒星。类星体之谜存在了许多年——因为会使照片过曝，所以很难确定它们是否存在于某个星系中。如果它们存在于某个星系中，那它们位于星系的哪个部分——是星系中心还是偏离星系中心？如果它们是孤立的，没有星系包围着它们，那它们又是怎么产生的？

同一个类星体，在遮挡了来自类星体本身的强光后，就能看到包围着它的星系。NASA / M. Clampin / H. Ford / G. Illingworth / J. Krist / D. Ardila / D. Golimowski / ACSST / J. Bahcall / ESA

随着观测技术的不断发展，人们终于清楚，这些类星体确实位于星系的中心，只是因为星系本身和类星系发出的强光相比过于昏暗，所以我们之前无法看到这些星系。随后许多理论便一一出现，试图对类星体加以解释——中子星合并、相互作用的恒星级黑洞、碰撞产生的闪光，等等。但是随着技术的进一步发展，人们终于明白，类星体产生的足以遮蔽星系其余部分的光，是由这些昏暗星系的中央黑洞产生的。类星体在遥远宇宙中的数量，要比邻近宇宙多得多——因此它们趋向于“寄生”在最年轻的星系中。

它们为什么会这么亮？要理解这一点，我们就必须把黑洞放到眼皮底下，进行更细致的研究。一个活跃的黑洞，一个想要吸取更多的新物质进而长得更大的黑洞，总是会被一个极度炽热的物质盘——积吸盘——包围着。这个积吸盘会围绕着黑洞转动，它会逐渐失去角动量，无法维持稳定轨道，随后缓慢地向黑洞坠落。积吸盘外侧通常还会有一个较大的尘埃气体环，它的温度较低，距离黑洞也较远。在垂直于积吸盘（以及外侧尘埃环）的方向上，会产生一道喷流。喷流大部分是由电子和质子构成的，其运动的速度可接近光速。这些粒子能够以X射线和无线电波的形式向外辐射能量。

一个明亮的类星体及其产生的喷流。钱德拉X射线望远镜在X射线波段上拍摄。NASA / CXC / A.Siemiginowska / J.Bechtold

与在其它方向上看到的闪光相比，在正对着喷流产生的方向上，黑洞是极为明亮的。我们之所以能够见到类星体，可能就是因为我们碰巧正对着喷流产生的方向，或非常接近于喷流产生的方向。

但并不仅仅是方向——假如仅仅是方向问题，那么我们也会在邻近的、不那么年轻的星系内见到类星体。事实上邻近宇宙中这样的情况极为罕见。所以，还有第二个原因在起作用，这个原因和星系中心的气体含量有关。如果星系中心的气体含量不足，那黑洞就无法形成一个足够大的积吸盘，无法产生强大的喷流。在本地宇宙的星系中，恒星的含量更高，气体含量则通常小于25%。而年轻星系情况是相反的，它们通常由60%以上的气体构成。这就意味着，即便没有来自外部的影响——如星系间的碰撞（这在早期宇宙中也更常见，也是推动气体在星系中心聚集的重要原因），黑洞也能轻而易举地获得足够多的燃料来源，制造出直指星系以外的巨大喷流！

在碰撞中的星系内发现的一系列类星体。第一行展现了类星体发出的光；第二行遮挡了类星体的光，因而能够看到其它特征。NASA / ESA / E. Glikman

喷流的“方向”，和中央黑洞附近的“大量气体”这两个因素，使“类星体”成为早期宇宙中的强大动力源。

Jillian Scudder文 /老孙译