星系形成中的怪物

20世紀60年代，質量為太陽106～109.5倍的黑洞首次被用來解釋活動星系核（諸如類星體）的巨 大能量輸出。這些超大質量黑洞與普通黑洞截然不同，普通黑洞只有幾個太陽質量而且它們的形成過程也非常清楚。然而，我們對超大質量黑洞的起源一無所知，它 們在很長一段時間內仍停留在假設的階段。直到20世紀80年代中，黑洞「引擎」才成為了解釋活動星系核理論框架的一部分。但是有關它們存在的證據仍然很缺 乏。在以後的十年中，天文學家付出了大量的精力來尋找星系核中「暗天體」的動力學證據。現在證據已很充分，在兩個天體——銀河系和NGC4258——中， 「暗天體」存在於一個非常小的區域內，而這一區域中存在黑洞以外天體的可能性已被排除。

直到最近，黑洞研究主要用來解釋那些壯觀而常見的活動星系核。但是情況正在迅速改變。哈勃空間望遠鏡的觀測表明，黑洞存在於每個星系之中。地面光譜觀 測的結果則強烈暗示，黑洞是星系的「常規武器」。這些觀測預示著黑洞的成長與星系的形成之間有緊密的聯繫。這些結果深深地改變了天文學家對黑洞的認識：比 解釋活動星系核更吸引人的是，黑洞正成為解釋星系形成必需的一部分。

2000年6月召開了第196屆美國天文學學會會議，在有關黑洞的全天會議上，黑洞存在的證據有了巨大的進展。報告新發現了至少15個黑洞，這樣可供 研究的黑洞數量至少已達到了34個。卡爾·格哈德特（Karl Gebhardt）及其同事和勞拉·法倫納斯（Laura Ferrarese）及其合作者分別獨立地公布了一個重要結果，在黑洞與星系之間存在一種新的關係。兩個小組都發現，在具有較大的恆星隨機速度σ的星系中 其黑洞的質量較大。先前也觀測到一個相類似的黑洞質量與星系核球光度（可度量星系核球質量）的關係：質量越大的核球中存在質量越大的黑洞。這也沒什麼可驚 訝的，因為許多天體的性質取決於它的質量，而且質量越大的星系有更多的物質來「餵養」黑洞。但是這一質-光關係的誤差較大，一些星系會擁有或大或小的黑 洞。與之形成鮮明對比的是，新發現的這一關係誤差則很小。

在天文學中，事物間緊密的聯繫將導致基本理論的進步。黑洞質量與σ的關係暗示著星系形成和黑洞吸積物質（黑洞積聚物質以此噴發成為類星體）之間的聯 系。黑洞為了成長，幾乎會損失其所有的角動量。這是非常困難的，所以「餵養」怪物的過程很難被理解。但是把黑洞的成長用於解釋星系的形成則是一大進步。

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為什麼具有非比尋常的質量的黑洞同時具有較大的σ？這可能有幾種解釋。例如，恆星的質光比可能異常得大；為了平衡越大的質量就需要越大的速度。然而， 這被證明並不是關鍵。相反，核球的速度彌散越大，其結構越緊密。它們具有較高的表面亮度，同時還有比正常情況小的半徑。因此，恆星靠得很近，它們之間的引 力就增大，致使它們必須高速運動。這意味著，當一個星系的溫度比普通星系高時，它會比通常的更亮，同時它會坍縮到一個較小的尺度具有較高的密度。但是當星 系不尋常地收縮時黑洞仍具有巨大的質量，這就強烈得預示著星系核球形成的過程決定了黑洞的質量。

與核球形成鮮明對比，旋渦星系的性質與黑洞質量沒有直接聯繫。旋渦星系中黑洞的質量分數比由質—光關係推測的0.2%小得多。被很好地研究的旋渦星系是我們本星系團中的鄰居M33。如果旋渦星系像橢圓星系那樣含有黑洞，那麼M33就應該含有一個質量在1～3×107個太陽質量之間的黑洞。但是哈勃太空望遠鏡的分光鏡顯示M33不可能包含一個質量超過2000個太陽質量的黑洞。因此黑洞的成長只和橢圓星系的形成聯繫了起來。

當星系碰撞合併時形成了橢圓星系。合併期間引力作用混合了彼此的恆星並且重新分配了角動量；其結果是被迫合併的系統（旋渦星系）變成了橢圓星系。至少 在鄰近的宇宙，氣體的消散是必需的，以此來形成橢圓星系的高密度和旋渦星系的低密度。新的結果顯示當一個橢圓星系噴發變成活動星系核時，橢圓星系形成的主 要過程與其黑洞成長的主要階段同步。比較可能的形成過程是一系列的合併，它不僅促使恆星爆發而且給活動星系核提供了物質。

黑洞成長和橢圓星系形成之間確切的關係目前並不明確。一些學者認為黑洞的成長先於星系的形成。例如，斯爾克（Silk）和瑞斯（Rees）認為先期形 成的巨大黑洞通過輻射壓和活動星系核噴發的氣體控制其周圍形成星系的大小。同時我們也知道在星系形成之後，一些黑洞的質量仍在增長，因為在一些年長的星系 中仍觀測到有低水平的活動星系核活動。黑洞在星系形成之前、之中、之後增長了多少質量仍待研究。然而，宇宙中巨型橢圓星系形成的樣本為我們指引了觀測方向。這些「極亮紅外星系」（ULIRG）有著1～1012個太陽光度。 桑德斯（Sanders）及其他人認為ULIRG是類星體的前身。這一觀點導致一場十年的辯論，是活動星系核還是恆星爆發為ULIRG提供了能量。現在觀 測的結果是雙方都是正確的，餘下的則來自活動星系核。ULIRG的性質完全取決於星系的形成，黑洞的成長和類星 體活動。黑洞同時也以其他方式影響星系的形成。例如，一些橢圓星系有一個核，那兒的密度坡度比在大範圍內觀測到的能量坡度小得多。菲伯（Faber）及其同事 認為這些核可能是由雙黑洞的軌道瓦解而成。當兩個星系合併時，它們的黑洞形成一個雙星系統，然後通過拋射恆星而融合。這就降低了恆星的密度同時形成一個密 度斷層。另外，核也有可能通過活動星系核的物質反饋形成。如果黑洞通過塌縮來餵養自己並形成星系，那麼由其所致的活動星系核會很活躍，來影響試圖掉進黑洞 的氣體。這可以防止恆星形成的不足。

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我們仍不知道這些過程中的哪一個可以正確解釋星系核。然而，無論是哪一個黑洞都是解釋星系形成的必需品。這一個例子表明黑洞和星系形成之間的關係是非常引人注目的。

進一步的成果可能很快取得。我們已進入了哈勃太空望遠鏡的主要使用期。自從1997年，哈勃太空望遠鏡安裝了空間望遠鏡光譜成像儀（STIS），黑洞 的搜索變得更有效率，因為STIS通過一個一維的縫隙檢查光線而不是通過一個單獨的縫隙。未來幾年會發現更多的黑洞，其必將超過我們過卻15年發現的總和。

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