27.3：类星体作为宇宙进化探测器
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 追踪宇宙时间内类星体的兴衰情况
- 描述星系和黑洞影响彼此生长的一些方式
- 描述最初的黑洞可能形成的一些方式
- 解释为什么有些黑洞不是产生类星体发射，而是处于静止状态
类星体的光彩和远距离使其成为宇宙遥远地区及其遥远过去的理想探测器。 回想一下，在第一次引入类星体时，我们提到过它们通常离得很远。 当我们看到极其遥远的物体时，我们看到的就像很久以前一样。 来自80亿光年以外的类星体的辐射告诉我们该类星体及其环境在80亿年前是什么样子，距离它周围的星系最初形成的时间要近得多。 天文学家现在已经探测到类星体发出的光，这些光是在138亿年前宇宙开始扩张仅几亿年后形成的。 因此，它们为我们提供了一个难得的机会来了解大型建筑物首次在宇宙中组装的时间。
类星体的演变
类星体提供了令人信服的证据，证明我们生活在一个不断变化的宇宙中，这个宇宙会随着时间的推移而变化。 他们告诉我们，生活在数十亿年前的天文学家本来会看到一个与当今宇宙截然不同的宇宙。 对不同红移（因此在宇宙演化的不同时期）的类星体数量的计数向我们展示了这些变化是多么剧烈（图\(\PageIndex{1}\)）。 我们现在知道，当宇宙只有当今年龄的20％时，类星体的数量最多。
如你所见，随着时间的推移，类星体数量的下降非常突然。 观察结果还表明，最大黑洞周围的吸积盘发出的排放物会提前达到峰值，然后逐渐消失。 最强大的类星体只有在早期才能看到。 为了解释这个结果，我们使用了类星体的能量来源模型，即类星体是黑洞，有足够的燃料可以在它们周围形成一个明亮的吸积盘。
如果宇宙历史早期有更多的物质可供黑洞积聚，那么很久以前（很远）的类星体比今天（附近）的类星体还要多，这一事实可以解释。 你可能会说，当类星体的黑洞为 “能量产生发动机” 提供燃料时，类星体会更加活跃。 如果这种燃料主要是在宇宙开始扩张后的头几十亿年内消耗的，那么在宇宙生命的后期，一个 “饥饿” 的黑洞几乎没有剩余的东西可以照亮银河系的中心区域。
换句话说，如果吸积盘中的物质因掉入黑洞或以喷气式飞机的形式从银河系中吹出而持续耗尽，那么只有在有新的气体可以补充吸积盘的情况下，类星体才能继续辐射。
事实上，在宇宙历史的早期，周围还有更多的气体需要积聚。 当时，大多数气体尚未崩溃形成恒星，因此有更多的燃料可用于喂养黑洞和形成新恒星。 随后，在宇宙开始扩张后的头几十亿年中，大部分燃料被消耗在恒星的形成中。 在生命的后期，星系几乎没有余地可以喂养饥饿的黑洞或形成更多的新恒星。 正如我们从图中看到的那样\(\PageIndex{1}\)，当宇宙大约有20亿年历史时，恒星的形成和黑洞的生长共同达到顶峰。 从那以后，两者都急剧下降。 我们参加星系派对已经迟到了，错过了早期的一些激动人心。
对较近星系的观测（稍后可见）表明，中央黑洞还有另一种燃料来源——星系的碰撞。 如果两个质量相似的星系碰撞并合并，或者如果一个较小的星系被拉成一个较大的星系，那么来自一个星系的气体和尘埃可能离另一个星系中的黑洞足够近，可以被它吞噬，从而提供必要的燃料。 天文学家发现，碰撞在宇宙历史的早期也比今天更为普遍。 早期有更多的小型星系，因为随着时间的推移，正如我们将看到的那样（在《星系的演变与分布》中），小星系往往会组合成更大的星系。 同样，这意味着我们预计很久以前（很远的地方）看到的类星体会比今天（附近）更多的类星体——事实上，我们确实如此。
黑洞和星系的相互依存关系
20 世纪 90 年代后期，一旦开始可靠地测量黑洞质量，它们就成了一个谜。 看起来中央黑洞的质量取决于银河系的质量。 星系中的黑洞似乎总是它们所生活的星系质量的1/200。 该结果示意性地显示在图中\(\PageIndex{2}\)，一些观测结果绘制在图中\(\PageIndex{3}\)。
不知何故，黑洞质量和周围恒星凸起的质量是相互关联的。 但是为什么存在这种关联呢？ 不幸的是，天文学家还不知道这个问题的答案。 但是，我们确实知道黑洞会影响银河系中恒星的形成速度，而周围星系的特性会影响黑洞的生长速度。 让我们看看这些过程是如何运作的。
星系如何影响其中心的黑洞
让我们先来看看周围的星系会如何影响黑洞的生长和大小。 如果没有大量的新鲜 “食物”，当局部物质向内螺旋向黑洞时，黑洞周围的光芒只会微弱。 因此，不知何故，大量的气体必须从银河系中找到通往黑洞的途径，才能为类星体提供食物，使其生长并释放出值得注意的能量。 黑洞的 “食物” 最初来自哪里？如何补充？ 陪审团尚未确定，但选择很明确。
黑洞的一个显而易见的燃料来源是来自宿主星系本身的物质。 星系起初有大量的星际气体和尘埃，随着银河系的演变，至少其中一些星际物质会逐渐转化为恒星。 另一方面，当恒星经历生命并死亡时，它们会一直损失质量进入它们之间的空间，从而将一些气体和尘埃返回星际介质。 我们预计，在星系生命的早期，在中部地区发现的气体和尘埃会比以后发现更多的气体和尘埃，当时大部分气体和尘埃已经转化为恒星。 任何冒险离黑洞太近的星际物质都可能被黑洞积聚。 这意味着我们预计以这种方式提供动力的类星体的数量和亮度将随着时间的推移而下降。 正如我们所看到的，这正是我们发现的。
如今，椭圆星系和螺旋星系的核凸起几乎没有剩余的原材料可以作为黑洞的燃料来源。 而且附近星系中的大多数巨型黑洞，包括我们自己的银河系中的黑洞，现在都是黑暗且相对安静的——只是它们以前的自我的阴影。 因此，这符合我们的观察。
我们应该注意，即使你有一个静止的超大质量黑洞，该区域中的恒星偶尔也会靠近它。 然后，黑洞的强大潮汐力量可以将整颗恒星拉开成气流。 这条流迅速形成吸积盘，以正常方式释放能量，使黑洞区域变成临时类星体。 但是，这些材料将在短短几周或几个月后掉入黑洞。 然后，黑洞又回到了潜伏的静止状态，直到另一名受害者徘徊。
在典型的星系中，这种 “食人族” 事件每10万年左右只发生一次。 但是我们可以监视天空中的数百万个星系，因此每年都会发现其中一些 “潮汐破坏事件”（图\(\PageIndex{4}\)）。 但是，这些个别事件尽管引人注目，但非常罕见，无法解释中央黑洞的巨大数量。
黑洞的另一个燃料来源是其宿主星系与另一个星系的碰撞。 在拍摄详细照片时，一些最亮的星系竟然是成对的碰撞星系。 而且它们中的大多数里面都有类星体，我们不容易看见，因为它们被大量的灰尘和气体掩埋了。
两辆车之间的碰撞会造成混乱，将零件推离其常规位置。 同样，如果两个星系碰撞并合并，那么气体和尘埃（尽管不是恒星）就会被推出它们的常规轨道。 有些人可能会偏离一个星系或另一个星系中的黑洞足够近以至于被黑洞吞噬，因此为类星体提供必要的燃料。 正如我们所看到的，星系碰撞和合并最常发生在宇宙还很年轻的时候，这可能有助于解释这样一个事实，即当宇宙只有当前年龄的20％左右时，类星体最为常见。
当今宇宙中的碰撞不那么频繁，但确实会发生。 一旦星系达到银河系的大小，它与之合并的大多数星系将是小得多的星系—— 矮星系（参见关于星系的章节）。 它们不会对大星系造成太大干扰，但它们可以为其黑洞提供一些额外的气体。
顺便说一句，如果两个星系（每个星系都包含一个黑洞）碰撞，那么这两个黑洞可能会合并形成一个更大的黑洞（图\(\PageIndex{5}\)）。 在这个过程中，它们会发出一阵引力波。 欧洲航天局计划中的LISA（激光干涉仪太空天线）任务的主要目标之一是探测超大质量黑洞合并产生的引力波信号。
观察两个星系碰撞形成超大质量黑洞。
黑洞如何影响银河系中恒星的形成？
我们已经看到，星系中的物质会影响黑洞的生长。 反过来，黑洞也可以影响它所在的星系。 它可以通过三种方式做到这一点：通过喷气机，通过设法从吸积盘流出的粒子风，以及通过来自吸积盘的辐射。 当它们流出黑洞时，这三者要么通过压缩周围的气体和尘埃来促进恒星的形成，要么通过加热周围的气体和粉碎分子云来抑制恒星的形成，从而抑制或阻止恒星的形成。 流出的能量甚至足以阻止新材料的积聚并使黑洞缺乏燃料。 天文学家仍在努力评估这些效应在确定银河凸起的总体演变和恒星形成速率方面的相对重要性。
总而言之，我们已经看到星系和超大质量黑洞如何影响另一个星系的演变：星系为黑洞提供燃料，而类星体可以支持或抑制恒星的形成。 这些过程的平衡可能有助于解释黑洞和凸起质量之间的相关性，但是目前还没有理论可以定量和详细解释为什么黑洞和凸起质量之间的相关性如此紧密，或者为什么黑洞质量总是在 1/200 左右是凸起质量的乘积。
黑洞和星系的诞生
尽管类星体和星系之间的联系越来越明显，但最大的难题——即星系中的超大质量黑洞是如何开始的——仍未解决。 观察表明，它们存在于宇宙很年轻的时候。 一个引人注目的例子是发现了在宇宙只有7亿年历史时就已经发光的类星体。 这么快就形成一个大黑洞需要什么？ 一个相关的问题是，为了最终建造包含超过20亿个太阳质量的黑洞，必须有质量至少为太阳质量2000倍的巨型 “种子” 黑洞，而且它们一定是在宇宙开始扩张后不久就以某种方式产生的。
天文学家现在正在积极开发这些种子黑洞可能是如何形成的模型。 理论表明，星系是由暗物质和气体的崩溃云形成的。 有些气体形成了恒星，但也许有些气体沉淀在中心，在那里它变得如此集中以至于形成了黑洞。 如果发生这种情况，黑洞可能会立即形成，尽管这要求气体最初不应旋转太多。
更有可能的情况是，气体会有一定的角动量（旋转），可以防止直接崩溃到黑洞中。 在这种情况下，第一代恒星将形成，根据计算，其中一些恒星的质量将是太阳的数百倍。 当这些恒星燃烧完氢气时，仅仅几百万年后，它们最后的超新星将产生质量相当于太阳一百倍左右的黑洞。 然后，它们可以与其他天然气合并，或者积累早期可用的丰富天然气供应。
面临的挑战是，这些较小的黑洞发展得足够快，足以使我们在几亿年后看到的更大黑洞形成更大的黑洞。 事实证明这很困难，因为它们积聚物质的速度是有限的。 从我们在本章前面讨论的内容来看，这些对你来说应该是有意义的。 如果吸积速率过高，那么从黑洞吸积盘向外流出的能量将变得如此强大，以至于吹走掉落的物质。
相反，如果崩溃的气云没有直接形成黑洞或分解形成一组普通恒星，而是保持在一起，使一颗相当大的恒星嵌入由数千颗质量较低的恒星和大量密集气体组成的密集星团中，该怎么办？ 这颗巨大的恒星的寿命将很短，很快就会崩溃成为黑洞。 然后它就可以开始吸引周围的密集气体。 但是计算表明，附近许多恒星的引力吸引将导致黑洞在星团内随机曲折，并阻止吸积盘的形成。 如果没有吸积盘，那么物质可以从各个方向自由落入黑洞。 计算表明，在这种条件下，到宇宙存在十亿年时，即使小到太阳质量的10倍的黑洞也可能长到太阳质量的100亿倍以上。
科学家们正在探索如何形成超大质量黑洞种子的其他想法，这仍然是一个非常活跃的研究领域。 无论是什么机制导致了这些超大质量黑洞的迅速形成，它们都为我们提供了一种观察年轻宇宙的方法，当时它的历史只有现在的百分之五左右。
看看钱德拉X射线天文台关于早期宇宙中超大质量黑洞形成的一些新结果。
摘要
类星体和星系相互影响：星系向黑洞提供燃料，类星体加热并破坏银河系中的气云。 这两个过程之间的平衡可能有助于解释为什么黑洞似乎总是黑洞周围恒星球形凸起质量的1/200。 类星体在数十亿年前比现在普遍得多，天文学家推测它们标志着星系形成的早期阶段。 类星体在宇宙还很年轻时更有可能处于活跃状态，其吸积盘的燃料也更容易获得。 两个星系之间的碰撞可以重新触发类星体的活动，这为黑洞提供了新的燃料来源。