27.2：超大质量黑洞——类星体到底是什么
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- 203206
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述所有类星体的共同特征
- 证明超大质量黑洞是类星体（和 AGN）发射的能量来源的说法是合理的
- 解释类星体的能量是如何产生的
为了找到类星体（及其表亲 AGN）的通用模型，让我们首先列出我们一直在描述的共同特征，然后添加一些新特征：
- 类星体非常强大，在辐射光中发出的能量超过银河系中所有恒星的总和。
- 类星体很小，差不多相当于我们太阳系的大小（对天文学家来说，这真的很小！）。
- 据观察，一些类星体正在以接近光速的紧光束射出成对的直喷气式飞机，其距离远远超出它们所居住的星系。 这些喷气式飞机本身就是强大的无线电和伽玛射线辐射源。
- 因为类星体从这么小的区域消耗了如此多的能量，所以它们无法像恒星那样由核聚变提供动力；它们必须使用效率要高得多的过程。
- 正如我们将在本章后面看到的那样，类星体在宇宙年轻时比今天更为常见。 这意味着它们一定能够在宇宙开始膨胀后的头十亿年左右的时间内形成。
这篇文章的读者比1960年代发现类星体来猜测类星体是什么能为类星体提供力量的天文学家要好得多。 这是因为解谜的关键思想来自对我们在《黑洞》和《曲线时空》中讨论的黑洞的观察。 1971年宣布在二进制系统Cygnus X-1中发现第一个恒星质量黑洞，也就是类星体发现几年后。 甚至更晚才有证据证明我们自己的银河系中心存在黑洞。 早在天文学家刚开始试图弄清楚是什么为类星体提供动力时，黑洞只是广义相对论中比较奇特的预测之一，这些预测仍在等待与现实世界联系起来。
只有证明了几十年来积累的黑洞的存在，才更清楚地看出，只有超大质量黑洞才能解释类星体和 AGN 的所有观测特性。 正如我们在《银河系》中看到的那样，我们自己的银河系的中心有一个黑洞，能量是从一个很小的中心区域发射的。 虽然我们的黑洞没有类星体黑洞的质量或能量，但为它们提供动力的机制是相似的。 现在的证据表明，大多数（可能是全部）椭圆星系和所有带有核凸起的螺旋的中心都有黑洞。 黑洞附近的物质发射的能量取决于两件事：黑洞的质量和落入黑洞中的物质量。
如果一个里面有十亿个太阳质量的黑洞（\(10^9\)\(M_{\text{Sun}}\)）积聚（收集）相对较少的额外物质（比如大约\(10\)\(M_{\text{Sun}}\)每年），那么（正如我们将看到的）在此过程中它产生的能量与一千个普通星系一样多。 这足以说明类星体的总能量。 如果黑洞的质量小于十亿个太阳质量或者吸积率很低，那么发射的能量可能会小得多，就像银河系一样。
观看一段视频，讲述艺术家对物质在超大质量黑洞周围积聚的印象。
黑洞的观测证据
为了证明银河系中心存在黑洞，我们必须证明如此多的质量挤在如此小的体积中，以至于任何普通物体 —— 巨大的恒星或恒星团 —— 都无法解释这一点（就像我们在银河系中的黑洞中所做的那样）。 我们已经从观测结果（在《黑洞》和《曲线时空》中进行了讨论）中知道，积聚的黑洞周围环绕着一个热吸积盘，里面有气体和尘埃在黑洞掉入之前在黑洞周围旋转。
如果我们假设类星体发射的能量也是由热吸积盘产生的，那么，正如我们在上一节中所看到的那样，圆盘的大小必须由类星体能量变化所需的时间来确定。 对于类星体，可见光中的发射在5到2000天的典型时间尺度上有所不同，这使圆盘的大小限制在那么多光天以内。
在X射线波段中，类星体的变化速度更快，因此光行程时间的论点告诉我们，这种能量更高的辐射是在更小的区域产生的。 因此，吸积盘旋转所围绕的质量必须限制在更小的空间内。 如果类星体机制涉及大量质量，那么唯一能够将大量质量限制在非常小的空间中的天文物体就是黑洞。 在少数情况下，事实证明X射线是从一个只有黑洞事件视野几倍的区域发射的。
因此，下一个挑战就是在类星体中 “称重” 这个中心质量。 就我们自己的银河系而言，我们使用对非常靠近银河中心的恒星轨道的观测以及开普勒第三定律来估计中央黑洞（银河系）的质量。 对于遥远的星系，我们无法测量单个恒星的轨道，但我们可以测量旋转吸积盘中气体的轨道速度。 哈勃太空望远镜特别适合完成这项任务，因为它超越了地球大气层的模糊范围，并且可以获得非常接近活跃星系中部明亮区域的光谱。 然后使用多普勒效应来测量轨道物质的径向速度，从而得出其移动的速度。
最早用哈勃太空望远镜研究的星系之一是我们以前最喜欢的巨型椭圆M87。 哈勃太空望远镜的图像显示，有一盘热（10,000 K）气体在M87中心旋转（图\(\PageIndex{7}\)）。 在椭圆星系中发现热气真是令人惊讶，因为这种类型的星系通常没有气体和尘埃。 但是这一发现对于确定黑洞的存在非常有用。 天文学家测量了这种气体发射的光谱线的多普勒偏移，找到了它的旋转速度，然后运用开普勒第三定律得出圆盘内的质量量。
现代估计表明，至少有35亿人\(M_{\text{Sun}}\)集中在M87正中心的一个小区域。 在这么小的空间里这么大的质量一定是黑洞。 让我们停下来看看这个数字：一个黑洞吞下了足够的物质，足以制造出像太阳一样的35亿颗恒星。 很少有天文测量得出如此令人难以置信的结果。 这样一个超大质量黑洞的邻居一定是一个多么奇怪的环境。
另一个例子如图所示\(\PageIndex{8}\)。 在这里，我们看到一个围绕椭圆星系中心一个3亿个\(M_{\text{Sun}}\)黑洞的尘埃和气体圆盘。 （中心的亮点是由黑洞的引力拉近在一起的恒星的组合光产生的。） 黑洞的质量再次来自对圆盘旋转速度的测量。 圆盘中的气体以每秒 155 千米的速度移动，距离其中心仅 186 光年。 鉴于中心群众的吸引力，我们预计整个尘盘将在几十亿年后被黑洞吞没。
但是，我们必须接受黑洞作为这些星系中心位置的唯一解释吗？ 除了巨大的黑洞之外，我们还能在这么小的空间里放什么？ 另一种选择是星星。 但是要解释没有黑洞的星系中心的质量，我们需要在太阳系大小的区域中放置至少一百万颗恒星。 为了适合，它们的直径只能相隔 2 颗星。 恒星之间的碰撞会一直发生。 这些碰撞将导致恒星的合并，它们形成的那颗巨星很快就会崩溃成黑洞。 因此，确实无法逃脱：只有黑洞才能将如此多的质量容纳到如此小的空间中。
正如我们之前看到的那样，现在的观测结果表明，所有以球形集中的恒星星系——无论是椭圆星系还是带有核凸起的螺旋星系（参见关于星系的章节）——都在其中心藏有其中一个巨大的黑洞。 其中包括我们的邻居螺旋星系，仙女座星系 M31。 这些中央黑洞的质量从略低于一百万到至少300亿倍的太阳质量不等。 一些黑洞的规模可能更大，但质量估计值具有很大的不确定性，需要验证。 我们将这些黑洞称为 “超大质量”，以区别于某些恒星死亡时形成的小得多的黑洞。 到目前为止，来自恒星的最大黑洞，即通过LIGO探测到的引力波探测到的黑洞，其质量约为40个太阳质量。
黑洞周围的能源生产
到目前为止，你可能愿意接受这样的想法：巨大的黑洞潜伏在活跃星系的中心。 但是我们仍然需要回答这样一个问题：这样的黑洞如何成为宇宙中最强大的能量来源之一。 正如我们在《黑洞》和《曲线时空》中看到的那样，黑洞本身无法辐射任何能量。 我们从中探测到的任何能量都必须来自非常接近黑洞的物质，但不能来自黑洞事件视野内的物质。
在银河系中，中央黑洞（具有很强的重力）吸引物质——恒星、尘埃和气体——在密集的核区域运行。 这种物质螺旋进入旋转的黑洞，并在其周围形成一个物质吸积盘。 随着材料螺旋形越来越靠近黑洞，它会加速并被压缩，加热到数百万度的温度。 这样的热物质在落入黑洞时会散发出大量的能量。
为了说服自己坠入重力强的区域可以释放大量能量，想象一下将天文学教科书的印刷版丢到图书馆底层的窗外。 它会一声巨响着陆，也许会给一只惊讶的鸽子带来讨厌的碰撞，但是它掉落后释放的能量不会很大。 现在把同一本书带到一栋高层建筑的十五楼，然后从那里放下。 对于下面的人来说，天文学可能会突然变成一个致命的话题；当这本书出版时，它会消耗大量的能量。
将东西从很远的地方丢到黑洞的更强重力处在将坠落释放的能量转化为其他形式的能量方面要有效得多。 正如掉落的书可以加热空气、震动地面或产生能在一定距离之外听见的声能一样，物质落向黑洞的能量也可以转化为大量的电磁辐射。
黑洞要处理的不是教科书，而是涌入的气流。 如果一团密集的气体高速穿过稀薄的气体，它会随着摩擦的减速而升温。 当它减速时，动能（运动）会转化为热能。 就像太空飞船重返大气层一样（图\(\PageIndex{9}\)），接近黑洞的气体在与其他气体相遇的地方会升温并发光。 但是，当这种气体接近事件视野时，其速度达到光速的10％甚至更高。 因此，它的温度远远超过不超过1500K的太空飞船。实际上，超大质量黑洞附近的气体温度约为15万K，比返回地球的太空飞船高约100倍。 它甚至会变得如此之热（数百万度），以至于它会辐射 X 射线。
通过这种方式可以释放的能量是巨大的。 爱因斯坦证明质量和能量与他的著名公式是可以互换的\[E = mc^2 \nonumber\]（见《太阳：核动力之家》）。 氢弹只释放该能量的1％，恒星也是如此。 类星体比这更有效率。 释放的落入黑洞事件视野的能量很容易达到该能量的10％，或者在极端的理论极限中达到32％。 （与炸弹或恒星中的氢原子不同，落入黑洞的气体实际上并不是为了释放能量而从原子中损失质量；产生能量只是因为气体越来越靠近黑洞。） 这种巨大的能量释放解释了像黑洞周围区域这样的微小体积如何释放与整个星系一样多的能量。 但是，为了散发出所有这些能量，热气必须花点时间在吸积盘中绕恒星旋转并释放出部分能量，而不仅仅是在几乎没有窥视的情况下掉入事件视野。
大多数黑洞没有任何类星体发射的迹象。 我们称它们为 “静止”。 但是，就像沉睡的龙一样，它们可以通过被新的气体供应唤醒。 我们自己的银河系黑洞目前处于静止状态，但它可能在几百万年前还是一个类星体（图\(\PageIndex{10}\)）。 两个在银河中心上方和下方延伸25,000光年的巨大气泡正在发射伽玛射线。 它们是在几百万年前大量物质落入银河系中心的黑洞时产生的？ 天文学家仍在努力了解哪些重大事件可能形成了这些巨大的气泡。
解释落入物质的能量在黑洞附近转化为辐射的确切方式所需的物理学要比我们的简单讨论所暗示的要复杂得多。 要了解在巨大黑洞周围的 “崎岖不平” 区域会发生什么，天文学家和物理学家必须求助于计算机模拟（他们需要超级计算机，即每秒能够进行大量计算的快速机器）。 这些模型的细节超出了本书的范围，但它们支持此处介绍的基本描述。
无线电喷气机
到目前为止，我们的模型似乎解释了类星体和活跃星系中的中心能量源。 但是，正如我们所看到的，类星体和其他活跃星系所拥有的不仅仅是点状能源。 它们还可以拥有长喷气式飞机，它们会随着无线电波、光，有时甚至是 X 射线发光，并且远远超出了母星系的极限。 我们能否找到办法让我们的黑洞及其吸积盘也产生这些高能粒子射流？
现在，许多不同的观测结果都将这些喷气机追溯到距离母类星体或银河核3到30光年以内。 虽然黑洞和吸积盘通常小于1光年，但我们假设如果喷气式飞机离得这么近，它们可能起源于黑洞附近。 我们需要解释的喷气式飞机的另一个特征是，它们含有接近光速的物质。
为什么超大质量黑洞附近的高能电子和其他粒子会喷射到喷气机中，并且经常喷射到两架方向相反的喷气式飞机中，而不是向四面八方喷射？ 同样，我们必须使用理论模型和超级计算机模拟，来计算当大量物质在拥挤的黑洞吸积盘中向内旋转时会发生什么。 尽管尚未就喷气式飞机的确切形成方式达成共识，但很明显，任何从黑洞附近逃出的物质都更容易垂直于圆盘。
在某些方面，黑洞吸积盘的内部区域就像一个正在学习自己吃东西的婴儿。 进入宝宝嘴里的食物有时会被朝不同的方向吐出。 同样，一些向内旋转到黑洞的物质会发现自己承受着巨大的压力，并以极快的速度运行。 在这种条件下，模拟表明，大量材料可以向外抛出，不是沿着圆盘向后抛出，因为那里有更多的材料挤进来，而是在圆盘上方和下方。 如果圆盘很厚（就像大量材料快速落入时一样），它可以将冲出的材料引导到垂直于圆盘的狭窄光束中（图\(\PageIndex{11}\)）。
该图\(\PageIndex{12}\)显示了对以这种方式行事的椭圆星系的观测结果。 在这个活跃星系的中心，有一圈直径约为400光年的尘埃和气体，围绕着一个12亿的\(M_{\text{Sun}}\)黑洞。 无线电观测表明，正如模型所预测的那样，两架喷气机朝垂直于环形的方向出现。
类星体和天文学家的态度
1960年代初发现的类星体是天文学家面临的一系列惊喜中的第一个。 再过十年，他们就会发现中子星（以脉冲星的形式）、黑洞的第一个暗示（在二进制X射线源中），甚至是宇宙大爆炸本身的无线电回声。 未来还有更多新发现。
正如马腾·施密特在1988年回忆的那样，“我相信，这对从事天文学工作的人的行为产生了深远的影响。 在1960年代之前，该领域存在许多威权主义。 在会议上表达的新想法将立即由资深天文学家进行判断，如果距离太远，则会被拒绝。” 我们在钱德拉塞卡尔关于核心大于 1.4 的恒星死亡的想法时遇到了麻烦，他遇到了麻烦\(M_{\text{Sun}}\)（参见第 23.1 节 Subrahmanyan Chandrasekhar 的功能框）。
施密特继续说：“1960年代的发现令人尴尬，因为它们完全出乎意料，无法立即评估。 为了应对这些发展，已经形成了一种态度，即便是天文学中古怪的想法也被认真对待。 鉴于我们在银河系外天文学方面缺乏扎实的知识，这可能比威权主义更受青睐。” 1
这并不是说天文学家（人类）不再有偏见和偏好。 例如，在20世纪60年代和1970年代，一小群认为类星体的红移与它们的距离无关（这绝对是少数派的观点）的天文学家常常感到被排除在会议之外，也无法使用望远镜。 目前还不清楚他们是否真的被排除在外，而是知道大多数同事强烈不同意他们的看法，他们感受到了非常艰难的压力。 事实证明，证据——最终必须决定所有科学问题——也不站在他们一边。
但是今天，随着更好的仪器可以解决一些问题，并清楚地阐明我们对其他问题的无知，整个天文学领域似乎更愿意讨论不寻常的想法。 当然，在任何假设被接受之前，都必须根据自然界本身所揭示的证据对其进行一次又一次的检验。 尽管如此，许多关于暗物质可能是什么的奇怪提议（见《星系的演变与分布》）证明了施密特所描述的新开放性。
有了这个黑洞模型，我们在理解几十年前才显得非常神秘的类星体和活跃星系方面已经走了很长一段路。 正如天文学中经常发生的那样，更好的仪器（进行更好的观测）和改进的理论模型相结合，使我们能够在宇宙这个令人费解的方面取得重大进展。
摘要
活跃的银河核和类星体的能量都来自物质掉落到一个巨大的黑洞并在其周围形成热吸积盘。 该模型可以解释发射的大量能量以及能量是在相对较小的空间中产生的事实。 它还可以解释为什么可以从两个方向看到来自这些物体的喷气机：这些方向垂直于吸积盘。
脚注
1 M. Schmidt，《类星体的发现》，《回想起来》中的《现代宇宙学》编辑。 B. Bertotti 等人。 （剑桥大学出版社，1990）。