互动科普

黑洞间歇泉

撰文 华莱士·塔克（Wallace Tucker）

   哈维·塔南鲍姆（Harvey Tananbaum）

   安德鲁·费边（Andrew Fabian）

翻译 虞骏

审校 张双南

如果给宇宙绘制一幅大地图，看起来就会像美国的州际公路网一样。星系排成的长链纵横交错，如同高速公路一般穿越星系际空间。道路之间的区域则是宇宙乡间，几乎空无一物。星系长链的交汇之处是宇宙中的繁华都市——星系团。

星系团大得惊人，就算用光来丈量它们的大小，也要耗费不少时间。从地球射出的光只用1秒多钟就能抵达月球，太阳发出的光只需8分钟就能照到地球，而银河系中心发出的光却要旅行2.5万年才能光临地球。但即使与普通的星系团相比，银河系也变得不值一提——光要花上1,000万年，才能横穿整个星系团。事实上，星系团是宇宙中受到引力束缚的最大天体。宇宙中的“高速公路”是比星系团更大的结构，但引力无法将它们束缚在一起，这些“公路”会随着宇宙一起膨胀。

这里的引力束缚，是指成熟星系团中的星系和其他物质处于一种整体动态平衡之中。星系在星系团内四处游荡，但并不会四下飞散，因为暗物质的引力牢牢抓住了它们。人们还不曾直接探测到这种神秘的物质，只有从引力作用中发现它的蛛丝马迹。星系团中各种成分的相互作用导致了许多天文现象，天文学家才刚刚领略到其中的奥妙。

与地球上的繁华都市一样，星系团也不仅仅是其中居民的简单集合。发生在星系团尺度上的物理过程，可以影响“微观尺度”上的事件，例如星系的成长和星系中心超大质量黑洞的燃料加注。反过来，黑洞高速喷出的大量物质也能推动整个星系团的演化。乍看起来，这种大小尺度之间的相互作用简直不可思议。从体形上看，那些黑洞比太阳系还小，说它们能够影响整个星系团，就好像说一颗樱桃会影响整个地球一样。

气体失踪案

星系团中的气体辐射出大量X射线，本该冷却下来，聚集到星系团中心，形成万亿颗恒星。然而，天文学家却找不到冷却气体和恒星的任何踪影。

这些相互作用解开了长久以来一直萦绕在星系团周围的若干难解之谜，所谓的冷流（cooling flow）问题便是其中之一。在星系团中，温度高达数百万度（这里是指绝对温度）的气体充斥在星系之间。如果把团中的星系看成繁华都市的中心商业地段，这些气体就是周边向外扩张的居民聚居区。城镇人口大都生活在居民区中，星系团也是如此：气体的质量超过了星系中所有恒星的质量总和。

最初，随着星系团在引力作用下缓慢坍缩，其中的气体也被压缩加热，温度高得足以发出X射线。光学望远镜无法观察到这些气体，而X射线又无法穿透地球大气，因此，只有运行在大气层外的空间天文台，才有机会发现和研究它们。20多年前，借助美国航空航天局（NASA）的爱因斯坦X射线天文台（Einstein X-ray Observatory）等观测设备，天文学家注意到X射线会带走大量能量，因此气体应当逐渐冷却，并聚集在星系团中心——这个过程就是“冷流”。本文作者之一费边利用爱因斯坦天文台和德国的ROSAT X射线天文卫星（ROSAT x-ray satellite），对冷流展开了开创性的研究。他和同事们的计算结果表明，冷流应该会产生相当明显的效应——如果冷流持续10亿年，堆积在星系团中心区域的气体将生成数万亿颗新的恒星。

惟一的麻烦在于，天文学家根本找不到这些恒星。他们展开了多次搜索，试图在星系团中心找出大量冷却气体和新生恒星的踪迹，都以失败告终。难道这些气体都被黑洞吞噬了？果真如此的话，这个黑洞的质量应该与万亿颗恒星相当，然而迄今发现的最大黑洞也远没有这么大的质量。本文的另一位作者塔克主张，规模庞大且旷日持久的冷流根本不存在。也许星系团中央星系持久的能量喷发可以解释冷流的消失：这些能量会加热气体，足以抵消辐射冷却过程（这里是指气体发出X射线，X射线带走能量，使气体温度降低的过程）。多年来，射电天文学家一直在搜集有关能量喷发活动的证据。不过要想完全阻止冷流，喷发就必须提供足够的能量，能量还必须分散到相当广袤的宇宙空间之中。中央星系是否拥有这种能力，仍然值得怀疑。因此，矛盾依旧存在：星系团中的炽热气体必然冷却，而冷却的最终产物却神秘消失，不见踪影。

1999年，NASA的钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）和欧洲航天局（ESA）的XMM-牛顿天文台（XMM-Newton）相继发射升空，揭开冷却气体失踪之谜正是它们的主要任务之一。星系团气体辐射能量的速度相当缓慢，因此气体保存着星系团过去几十亿年间的活动记录。例如，超新星爆炸抛出的重元素和能量会注入星系团气体之中，一直保留至今。如同考古学家从地下发掘历史一样，天文学家已经借助新型望远镜，从气体中挖出种种遗迹，拼凑起星系团演化的历史。

巨型空泡

空泡从星系团中央升腾而起，推开周围的炽热气体，雕凿出巨大的空腔。空腔中充斥着高能粒子，包含的能量相当于百亿颗超新星。它们能解开星系团中心气体和恒星的失踪谜案吗？

天文学家在X射线波段观测到的最明亮星系团，当数英仙星系团（Perseus cluster），因为它本身光度（luminosity，即发光强度）较高，距离地球也较近（约为3亿光年，“近”是相对于宇宙学标准而言的）。20世纪90年代，ROSAT卫星在这个星系团中心大约5万光年范围内，发现了两个巨大的气体空腔（cavity）。它们形如一个沙漏，中心则是巨型星系NGC 1275。费边和同事们利用钱德拉X射线天文台进行了更为细致的观察，揭露了这对空腔的大量细节。观测数据表明，空腔与先前发现的、从巨型星系中央射出的一对射电喷流方向一致（参见第78页的插图）。X射线空腔并非空无一物，其中充斥着磁场和高能粒子，比如质子和电子。这些高能量、低密度的空泡（bubble）正从星系团中央升腾而起，推开了周围发射着X射线的炽热气体。

其他星系团也拥有空泡。钱德拉X射线天文台分别在长蛇座A、武仙座A和阿贝尔2597星系团中找到了X射线空泡，它们都会发出射电辐射。天文学家还发现了另外一些空泡，在射电波段和X射线波段都显得暗淡无光，表明其中高能粒子的大部分能量已经耗尽。这些“幽灵空泡”已经脱离了中央星系，可能是过去的空泡留下的遗迹。

在钱德拉X射线天文台迄今找到的空泡中，最壮观的一个位于星系团MS 0735.6+7421之中（以下简称MS 0735），是由加拿大安大略省沃特卢大学的布赖恩·R·麦克纳马拉（Brian R. McNamara）等人发现的。尽管这个星系团的照片不如英仙星系团的清晰，但照片背后的事实却更为惊人。MS 0735拥有两个X射线空腔，每个都宽达60万光年——是我们银河系星盘直径的6倍以上。空腔的大小和周围气体的密度与温度表明，它们的年龄为1亿年，包含的动能相当于100亿颗超新星同时爆发。尽管天文学家对十亿、万亿之类的天文数字已经习以为常，这对空泡的尺寸之大、包含的能量之多，仍然令他们印象深刻。

如此巨大的能量足以揭开冷流消失之谜。事实上，约翰·R·彼得森（John R. Peterson，目前在美国普渡大学）曾和同事们一起，研究了XMM-牛顿天文台取得的能谱，发现拥有这些空泡的星系团中不曾出现过冷流。这一结论强有力地表明，空泡阻止了气体的冷却下落。但这种解释仍缺少关键的一环：能量是如何从空泡传递给气体的呢？

超重低音

星系团中的波纹结构泄露了天机：多次爆发产生的超低音声波和弱激波，将能量缓慢地传递给气体，阻止了它们的下落，也阻止了恒星在星系团中心的大规模形成。

乍看之下，这个问题很容易回答：空泡会在气体中产生强劲的激波，就像地球大气中的爆炸会产生冲击波一样。爆炸产生的高能物质以超音速在大气中推进，会将周围的空气挤压成薄薄的气壳。被压缩的气体粒子不断碰撞，就会将爆炸的动能转化为热量。天文学家已经在其他天文现象中观察到了强劲的激波，比如超新星爆炸留下的遗迹中就有激波的身影。

据说，亨利·路易斯·门肯（H. L. Mencken，1880-1956，美国著名新闻编辑及评论家）曾得出这样的结论：“任何一道复杂的问题，总会有一个简单明了但却错误的答案。”很不幸，强劲激波加热星系团气体的说法，似乎印证了这句名言。天文学家没有找到这种加热过程产生的高温薄气壳。此外，强劲激波的加热过程也许过于集中在星系团的中央区域，无法阻止大范围内的气体冷却。

声波加热则是一种更为合理的能量转换机制。以人类的标准来看，星系团中的星系际气体极其稀薄（每立方米仅有几千个氢原子，只有地表空气密度的万亿亿分之一），但是声波仍然可以在其中传播。它们会演变成微弱的低速超声波，缓缓加热气体。

费边领导的研究小组为这一想法提供了确凿的观测证据：他们对英仙星系团的照片进行了特殊处理，找到了一系列几乎同心的波纹结构。他们发现，最内侧的那条波纹是弱激波，气体的密度和压强在那里发生了跳变，温度并没有跳变；外侧的其他波纹则是声波，气体密度和压强都是逐渐变化的。波纹之间的间隔约为3.5万光年，根据气体中的声速（计算结果为每秒1,170千米）可以推断，产生这些声波的事件每隔1,000万年发生一次。把这些声波的音调转换为音符的话，应该是一个比中音C低57个八度的降B调。尽管听起来缺乏乐感，这些声波的威力却十分惊人。

距离我们最近的星系团是5,000万光年外的室女星系团，那里也出现了类似的结构。美国哈佛-史密森天体物理中心的威廉·福曼（William Forman）和同事借助钱德拉X射线天文台，观测了这个星系团中央占据统治地位的大星系M87。他们发现了许多丝状结构，每条宽约1,000光年，长5万光年。与英仙星系团中的波纹结构一样，这些丝状结构可能也是声波的产物。一次次能量爆发吹起了一个个空泡，进而产生了这些声波——不过在这个星系团中，每次能量爆发的时间间隔约为600万年。因此，它们的音调听起来要比英仙星系团的声波音调高出大约1个八度。福曼的研究小组还发现了一个半径约为4万光年的、更加炽热的辐射环，可能是一个弱激波的波阵面。他们还在距离星系中心约7万光年的地方，找到了一个巨大的X射线空腔。

现在的问题是，声波中的能量如何加热气体。对英仙星系团的观测表明，内侧波纹的温度在激波波阵面经过时并未升高，这可能是解答问题的关键。激波会加热气体，但热传导可以迅速将气体粒子的能量带走；从空泡或激波后方加速逃逸出来的高能电子也会加热气体，热传导同样可以带走这些电子的能量。这些过程都可以有效降低激波波阵面的温度。

电磁龙卷风

不论是空泡，还是波纹，它们都是星系中心超大质量黑洞的产物。高速旋转的黑洞将部分下落气体抛射出来，形成笔直的喷流，将能量输送到星系团气体深处。

然而，天文学家最大的困惑不是气体的加热机制，而是这些空泡的起源。在已知的天体中，能够产生这么大能量的只有一种——超大质量黑洞。它们盘踞在星系的中心，质量介于几百万到几亿太阳质量之间。大多数人习惯将黑洞想象成终极无底洞，认为它们会吞噬所有的物体，事实却并非如此：黑洞也能加速物质，将它们高速抛射出去。黑洞如何抛射物质，已经成了近几年的研究热点。

计算机数值模拟表明，黑洞就像一台巨型发电机。落向黑洞的气体会加速旋转。磁场则将这种旋转转化为直线运动，将一部分气体弹射出去。这一过程最初是在20世纪70年代，由罗杰·D·布兰福德（Roger D. Blandford，目前在美国斯坦福大学）和罗曼·兹纳耶克（Roman Znajek，当时在英国剑桥大学，现已离开学术界）共同提出的。旋转黑洞会扭曲周围的时空结构，迫使下落气体的磁场变成漏斗形状——犹如一场电磁龙卷风，裹挟着电磁场和带电粒子向外卷去，形成一对方向相反的喷流。如果黑洞旋转缓慢，那它产生的喷流也会软弱无力，导致大部分气体落入黑洞，永远消失。相反，快速自转的黑洞能将大约1/4的下落气体弹射出去。

科学家预言，星系中心的超大质量黑洞在吸积气体的过程中，自转会越来越快。一旦黑洞吞噬足够的气体，使自身质量增大一倍，黑洞外侧边界（即视界，horizon）的旋转速度就会接近光速。根据爱因斯坦的相对论，不论黑洞吞噬多少气体，它的转速都不可能达到光速；黑洞仍然可以吞噬更多气体，但对黑洞转速的提升效果只会越来越弱。天文学家用多种观测方法估测了黑洞的自转，证明许多黑洞都在高速旋转，足以产生强劲的喷流。更小的尺度上也存在类似的现象。恒星级黑洞仅有十几倍太阳质量，似乎无法与动辄数十亿倍太阳质量的超大黑洞相提并论，但它们也能射出接近光速的强劲粒子喷流，加热并驱散周围的气体。

理论计算表明，黑洞的喷流主要由两部分组成：一部分是以大约1/3光速移动的物质外流，构成了漏斗形状的外鞘；另一部分则是漏斗中轴附近的内侧区域，主要是超高能粒子组成的稀薄气体。内侧区域携带了大部分能量，产生了天文学家在射电和X射线波段观测到的巨大波纹结构。

喷流的形状像铅笔一样细长，它们可以笔直地穿越数十万光年，远远超出母星系的势力范围——这是喷流最令人惊奇的特征之一。在长途跋涉中，喷流几乎不辐射任何能量。黑洞附近气体的压力让喷流只能沿着狭窄的束流射出，气体本身的惯性则维持了喷流的细长形状——就像高压水枪射出的水柱或茶壶壶嘴冒出的蒸汽一样。紧紧缠绕在一起的磁场也随着喷流一起射出，可能也对细长形状的形成起到一定的作用。

不论是什么机制维持了喷流细长的形状，推动气体的压力都会随着行程的增加而逐渐减小。喷流速度减慢并向外膨胀，形成巨大的带电粒子磁化云。这些云团持续膨胀，将周围的气体向外推挤，形成了钱德拉X射线天文台观测到的黝黑的X射线空腔。

宇宙间歇泉

黑洞的喷流加热气体，阻止它们下落，也切断了自己的食物供应。气体失去热源，再次冷却下落，又激发黑洞重新活跃起来。这样的循环在星系团中已经持续了数亿年之久。

事件的经过已经明朗：气体落向快速旋转的黑洞，形成巨大的喷流向外射出；喷流携带着高能粒子，雕凿出巨型空泡，加热辽阔的宇宙空间——就像黑洞在星系团中打了一个饱嗝。黑洞既能影响整个星系团尺度上的事件，也会受到星系团尺度事件的影响。

事情可能是这样发生的：星系团中的气体最初非常炽热，星系团中心星系的超大质量黑洞也十分平静。大约1亿年之后，星系团中央区域的气体冷却下来，形成冷流落向中心星系。冷流中的一些气体凝聚成恒星，变成了中心星系的一部分，另一些则直接掉向超大质量黑洞，成为它的食物。这些气体聚集成一个吸积盘，并激发出强劲的喷流。

喷流穿透中心星系，直达星系团气体深处，将能量转换为热量，大大削弱了冷流，甚至使之完全停滞。这种行为似乎是自断生路：截断了冷流，超大质量黑洞就等于切断了气体供应，逐渐恢复平静。但这样一来，喷流就会逐渐消散，星系团中的气体也就失去了热源。数百万年之后，中央区域的炽热气体会再次冷却下来，引发中心星系及超大质量黑洞的新一轮成长。这个过程就这样周而复始地循环下去。

这一模型得到了观测数据的支持：天文学家拍摄了室女、英仙、长蛇和其他星系团的高清晰X射线及射电波照片，在中心星系超大质量黑洞的周围找到了反复爆发的证据。星系团中的磁化环、空泡、羽状喷发物及喷流的大小从几千光年到几十万光年不等，强有力地表明间歇性爆发活动已在那里持续了数亿年之久。

从这种模型可以得出一个惊人的推论：超大质量黑洞今天仍然能够快速成长。而天文学家过去一直认为，这些黑洞的成长已经逐渐停滞。以星系团MS 0735为例，其中的超大质量黑洞过去1亿年里吞噬的气体相当于3亿颗太阳——在如此之“短”的时间内使自身的大小和质量几乎翻了一番。不过该星系团的中央黑洞并没有展示出明显的活动迹象（活动黑洞通常会发出的明亮X射线和可见光）。只有通过星系团中的X射线空腔，我们才得以窥探这个奇特系统的性质。

宇宙活化石

星系碰撞也会触发黑洞产生喷流。数十亿年前，星系碰撞频频发生，今天只有星系团中心仍保持着当时的原始环境。研究星系团，能够帮助天文学家理解早期宇宙的星系形成。

星系间的碰撞使情况变得更加复杂。小星系如果太过靠近星系团中心的巨型星系，就会被撕得支离破碎——它的恒星被大星系吸收，一部分气体落入黑洞之中，小星系自己的中央黑洞则会跟大星系的黑洞合而为一。至今，一些星系团的中央区域仍会发生这样的碰撞，MS 0735星系团中的巨大空腔，大概就是星系并合引发的一系列事件的最终结果——这场碰撞将大量气体送到了超大质量黑洞的嘴边。

星系团中星系碰撞扮演的角色，也许能够帮助科学家理解早期宇宙中星系的演化过程。从某种意义上说，星系团也是活化石，仍然保留着数十亿年前宇宙的原始环境——那时星系更加靠近，星系并合频频发生。越来越多的研究指出，与星系的形成和演化相关的许多问题，例如星系的大小和形状、恒星形成的速率等，都可以用一个与星系并合有关的循环来解释。美国哈佛-史密森天体物理中心的菲利普·F·霍普金斯（Philip F. Hopkins）和同事用计算机模拟了宇宙的演化，他们发现，富含气体的星系发生并合，会触发恒星大规模形成，并使气体落入星系的中心区域。下落的气体成为超大质量黑洞的食物，令它迅速成长，并在周围发出强烈的辐射。黑洞的饱嗝却将大量气体抛出星系，让恒星形成突然放缓，黑洞的吸积也戛然而止——直到星系并合再次发生，打破这暂时的宁静。

影响星系演化的黑洞反馈作用，大都发生在80亿年到100亿年以前。自那以后，宇宙变得越来越稀薄，只有星系团还维持着早期的物质密度。因此，星系团中黑洞的饱嗝与早期宇宙中的同类事件颇为相似（不过并不完全一样），让天文学家有机会研究宇宙早期的那些喷流、空泡和声波——正是它们塑造了我们银河系及其他星系今天的模样。

仅有几百万到几亿太阳质量的超大黑洞，竟然能够撼动几十亿到几千亿太阳质量的星系，甚至对数百万亿太阳质量的星系团施加影响。黑洞的致密本质及其强引力场是它们的力量源泉。超大质量黑洞是整个星系中已知最强大的引力势能贮备库。通过吸积盘汲取引力势能，并发射强劲的巨型喷流——黑洞通过打饱嗝的方式，大大扩展了它们的势力范围，使它们成为宇宙中最具影响力的天体之一。