星际巨兽超大质量黑洞：百万甚至百亿倍太阳质量

　　文章来源：墨子沙龙 微信公众号

　　引言

　　地球黄沙遍野，小麦、秋葵等基础农作物相继枯萎灭绝，人类不再像从前那样仰望星空，放纵想象力和灵感的迸发，而是每日在沙尘暴的肆虐下倒数着所剩不多的光景。这是经典科幻电影《星际穿越》呈现出的世界末日临近的景象，但最终，博学的主人公库珀通过天文学、物理学、数学以及密码学知识成功地把未来的高科技传输给女儿，建立起星际文明，拯救了人类。

　　但也有人说，这部电影的真正主角是“卡冈图雅”――一个超大质量黑洞，因为它在电影中呈现的模型是三十多个人、数千台计算机工作一年的成果，它注定会成为电影史上一个令人难以忘记的鲜明角色。当库珀穿过虫洞看到“卡冈图雅”，我们也穿过茫茫宇宙，来领略下超大质量黑洞的神秘光芒，以及在光芒的掩映之下，人类对它已有的思考。


星际穿越中的黑洞“卡冈都亚”（图片来源网络）

　　作者 | 钟郅皓

　　责编 | 孙丽君 左文文

　　黑洞是什么？

　　1915年，爱因斯坦提出广义相对论，广义相对论告诉我们，任何有质量的物体都会使周围的时空弯曲，进而影响其它物体的运动轨迹，这就是引力的本质。就像图2中描绘的地球，把它放在宇宙这个巨大的“幕布”上时，“幕布”会由于地球的质量而塌陷――也即地球周围的时空发生弯曲，而弯曲的时空决定了其中物体的运动轨迹。这样我们就明白月亮为什么不能脱离地球，而是按固定周期围绕地球公转了。


天体使时空弯曲（图片来源网络）

　　在爱因斯坦提出广义相对论之后不久，同年的12月，德国的天文学家卡尔。史瓦西寄来一封信，给出了引力场方程的第一个精确解，这个解描述了一个球对称星体外部的时空结构。他推论出，如果特定质量的物质被压缩到某个特殊半径范围之内，时空将会在这个半径处体现奇异的性质――这个半径后人称为史瓦西半径。

　　每一个天体都有一个对应的史瓦西半径，如果一个天体完全处于它的史瓦西半径球体范围之内，那么它发出的光将无法逃脱自身的引力而隐身在茫茫宇宙之中，成为暗星，也就是黑洞。史瓦西半径就是黑洞的视界，任何物质进入黑洞视界，都将无法逃脱。对于我们的地球来说，它的“史瓦西半径”大约是9毫米，换言之，把地球压缩到这么小，它就会变成一个黑洞。而对于太阳来说，这个半径大约是3千米。


物体的“史瓦西半径”与其质量成正比（图片来源网络）

　　在宇宙中，有一种黑洞可能是大家熟悉的，它由恒星演化而来。所有的恒星都有一定的寿命，它们的最终命运跟自身质量息息相关。太阳的质量在银河系中并不算大，它在晚年会先变成一颗红巨星，最终变成白矮星，走完自己的一生。但如果恒星质量超过太阳质量的10倍甚至更多，它将会以一种壮烈的方式终结自己的生命，这就是超新星爆发――随着一次剧烈的爆炸，恒星外层的物质被抛向宇宙深处，内层的物质则发生塌缩。人们曾经认为，超新星爆发的最终产物就是中子星，一种相当致密的由中子构成的天体。1939年，美国物理学家奥本海默在研究星体坍缩时发现，如果超新星爆发产生的中子星的质量超过了某个临界值，它将会不可避免地在自身引力作用下继续塌缩，最终完全落入自身的史瓦西半径内，成为一个黑洞。

　　但我们今天讨论的主角――超大质量黑洞（Supermassive Black Hole），不可能由恒星坍缩而成，这种黑洞的质量非常大，可以达到百万，甚至百亿倍太阳质量，一般位于大型星系的中心。图5中这个漂亮的星系叫草帽（Sombrero）星系，看上去像一顶墨西哥草帽。在这个“草帽星系”的中心，有一个大约10亿倍太阳质量的黑洞。


草帽（Sombrero）星系（图片来源网络）

　　发现超大质量黑洞

　　――类星体中心在闪耀

　　1960年代初期，天文学家发现了一类叫“类星体”的天体，类星体是一种星系，因为看上去类似恒星而得名。它距离我们非常遥远，但它们的中心区域非常亮，远远超过了普通的星系。于是问题来了：这些类星体中心发光的能量来自哪里呢？

　　天文学家首先联想到了太阳。上个世纪三十年代，人们确信太阳之所以能“精力旺盛”地发光发热这么久，是由于其内部发生的核聚变。但对于如此遥远的类星体来说，中心区域如此耀眼，核能真的够吗？人们对核能的效率进行了计算，发现仅仅靠类似于恒星的核聚变过程，根本不足以支撑类星体的能量释放，而对引力能的计算使天文学家确信，引力能的释放效率远大于核能。也就是说，类星体的能量来源于自身中心区域的引力。而要产生如此巨大的引力能，类星体的中心区域一定存在一个质量非常大的家伙，同时这个中心区域的尺度并不大――超大质量黑洞成为最合理的解释。

　　但既然黑洞发出的光是无法逃离视界被观测到的，类星体中心的发光物质是什么呢？其实宇宙中存在大量弥散物质，物质由于黑洞的巨大引力落入类星体的中心，在这个过程中，物质的引力势能转化为动能，且运动速度越来越快，同时靠得越来越紧，在视界之外形成“吸积盘”。这些物质以接近光速的速度在吸积盘内相互摩擦，产生热量，发出闪耀的光。类星体就是通过这种方式把自身的引力能转化为光能，同时辐射出其他各种波段的电磁波。超大质量黑洞就像一只智慧的巨兽，虽然隐藏在宇宙的幕后，但无法遮掩自己强大的势场发出耀眼的光。


超大质量黑洞的吸积盘（图片来源wikipedia）

　　观测超大质量黑洞

　　――确定“巨兽”质量

　　随着天文学的发展，天文学家们发现除了类星体，许多星系的中心都有一颗超大质量黑洞，银河系也不例外。那么天文学家是怎样得知黑洞的质量，来确定它超大质量黑洞的身份呢？

　　我们所处的太阳系在银河系的外围，离银河系中心大约2.5万光年。天文学家们用红外波段的望远镜，视线可以直接穿过密集的星际尘埃观测银河系中心。在下面这张照片中我们可以发现，在银河系中心一个很小的区域内，所有的恒星都在绕着同一个中心天体高速运动，通过直接观测恒星的运动轨迹可以确定恒星的运动速度，已知恒星距离银河系中心的距离，天文学家推算出中心天体的质量大约是四百万倍太阳质量。所以通过红外望远镜直接观测和计算，我们可以得知在银河系的中心，存在着一个四百万倍太阳质量的超大质量黑洞。


银河系中心的高分辨率观测

　　对于银河系之外的遥远星系，望远镜已无法分辨出单个的恒星，但我们可以利用星团的运动来确定是否存在超大质量黑洞。同样的原理，只要知道这些星团距离星系中心的距离和运动速度，就可以计算出中心天体的质量。

　　那么如何得知星团的速度呢？答案是测量星团发出的光的波长就可以了。当一个星团向我们靠近或者远离时，由于“多普勒效应”，我们接收到的光的波长会发生变化，由此可以计算出它在视线方向上运动的速度。但要测量它们到星系中心的距离，则对望远镜的分辨率提出了很高的要求，这项艰巨的任务落在了哈勃望远镜（HST）的头上。大部分时候天文观测都在地面进行，观测效果会受到大气湍流的影响，而哈勃望远镜在地球大气层的上方，它采集的图像可以避免这一干扰，所以哈勃有着惊人的高分辨成像能力。

　　探索超大质量黑洞

　　――发现线性关系

　　十几年前，有天文学家试图把星系和中心黑洞的数据放在一起，居然发现：如果在x轴画出星系核球（星系核心最亮的区域，有时即指星系本身）的质量，在y轴画出中心黑洞的质量，这两者居然体现出了非常严格的线性关系，核球质量越大的星系，中心黑洞的质量也越大。


星系（核球）质量和超大质量黑洞之间的相关性（图片来源网络）

　　对于天文学家来说，发现一致的线性关系是一件非常令人兴奋的事。如果中心黑洞质量和星系核球质量存在如此强的相关性，那就说明星系和中心黑洞之间会互相影响，甚至共同演化。这着实让人吃惊，因为虽然超大质量黑洞的确“质量超大”，但是相比整个星系而言还是微不足道的，大约只有星系质量的千分之一。所以，星系是几乎“感受”不到中心黑洞的引力的。那么这两者的线性关系到底从何而来呢？

　　这成了天文学界的热门话题，研究者们围绕这个问题提出了各种猜想。最终，大家认可了一种目前看来最合理的解释：是黑洞吸积导致的“喷流”影响了星系的演化。尽管黑洞质量不是很大，但当大量的物质被黑洞吸积，会形成致密炽热的吸积盘，吸积盘的强辐射会将周围的物质“吹走”。被“吹走”的物质在辐射的持续推动下甚至可以被加速到接近光速，形成壮丽的“喷流”。这种喷流可以延伸到很远，有时可以超过星系的尺度，从而影响到星系的演化。比如，我们知道，恒星的形成需要大量的气体在自身的引力作用下塌缩到一起，而“喷流”则可以把这些气体都“吹散”，阻碍星系中的恒星形成，同时也可能会影响黑洞自身的生长。

　　对于那些暂时比较“低调”，还没有形成喷流的黑洞，同样可能会影响整个星系的演化。星系之间的并合可以“点燃”这些黑洞――当两个星系开始靠近时，引力使气体原料聚集到中心形成恒星，同时有大量气体落入合并后的黑洞，原本不活跃的黑洞在吸积了大量物质后，开始向宇宙中释放自己惊人的能量。这些能量对星系来说是灾难性的，它会导致恒星停止生长，让星系“死亡”。这时，黑洞自己也可能会停止生长。

　　超大质量黑洞的形成

　　我们已经知道，恒星量级的黑洞可以由大质量的恒星塌缩形成，我们也可以通过观测和计算推算出超大质量黑洞的质量。那么星系中心的超大质量黑洞是如何形成的呢？

　　一个比较自然的想法是：积少成多――小黑洞在吸积周围物质的过程中不断增长，最终变成了一个“巨无霸”。这样的小黑洞我们称之为“种子黑洞”，人们推测，种子黑洞在宇宙的早期就已经存在。那时候，宇宙中几乎只有氢和氦两种元素，这会导致这一时期形成的第一代恒星的质量非常大，最高可以达到百倍的太阳质量，燃料烧尽后坍缩形成的种子黑洞则可以达到数十甚至上百倍太阳质量。同时，宇宙早期的气体团也可能在引力作用下聚拢，跳过恒星阶段直接从气体团塌缩形成黑洞。这样形成的种子黑洞质量较大，可以达到上千到上万倍太阳质量。

　　有趣的是，科学家们发现，早在宇宙诞生十几亿年以后，就已经有质量高达数十亿倍太阳质量的黑洞存在。然而，按照上述方法增长的种子黑洞并没有足够的时间生长到这么大。所以，除了老老实实地通过吞噬物质增加质量以外，超大质量黑洞必然存在其他的质量增长机制。星系并合是人类另一个比较自然的想法。没错，就像我们人类一样，星系或许也是喜欢交朋友的，它们或许也是一种“群居动物”，因为引力总是把它们拉到一起。在宇宙早期，星系间的并合可能并不罕见。而几乎每个大质量星系中心都有一个超大质量黑洞。所以在这个过程中，黑洞也可能并合到一起，形成更大质量的黑洞。


超大质量黑洞的并合（图片来源网络）

　　这是一种很迷人的现象，如果真的存在超大质量黑洞的并合，就会产生能量巨大的引力波，其掀起的时空涟漪足以穿透宇宙，进入人类的探测范围。但与LIGO探测到的高频信号有所区别，对于十万甚至百万倍太阳质量的黑洞，它们的引力波周期可能会长达几年，而不再是秒的数量级。另外，由于星系中有大量气体，这种星系尺度的并合，还会伴随着丰富的电磁波信号。人类期待着探测到来自超大质量黑洞并合的信号。

　　对星空的向往

　　近年来，中国对基础科学研究的投入越来越多，对于天文也更加重视。不久前在贵州完工的500米口径“FAST”望远镜，是世界上最大的射电望远镜。同时，中国也是造价60亿欧元的“SKA”射电望远镜的成员。“SKA”和“FAST”都将是利用脉冲星计时来探测黑洞合并产生的引力波的领先设备。中国也是30米口径望远镜项目的参与国，这是一个即将建设在夏威夷的巨型望远镜，它可以把人类的视野拓展到宇宙的边缘。对宇宙的探索离不开望远镜技术的发展，作为一个研究天文的中国人，生活在这个时代是如此幸运。

　　抬头仰望，这一片星空，似乎距离我们越来越近， 但当我们刚揭开一层面纱，它又总在展现更神秘的面目。人类为什么要孜孜不倦地探索宇宙呢？借用探险家乔治?马洛里的一句话：“因为它就在那儿。”


“FAST”望远镜（图片来源网络）

　　本文依据2018年1月20日墨子沙龙Luis Ho的报告《超大质量黑洞探秘》内容整理撰写。


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