類星體的焰火

「現在我就要爆炸了，」他大聲喊道，「我要點燃整個世界，我要聲威大震，讓所有的人在這一年裡都不再談論別的事情。」的確他真的爆炸了。呼！呼！呼！火藥爆炸了。這是千真萬確的。——王爾德《神奇的火箭》 類星體的焰火

碧聲

　　幼年的宇宙里非常擁擠，年輕的星系們經常會相撞，發生融合。大多數初生星系的中央有著中等大小的黑洞，這些黑洞在星系融合時也會結合成更大的黑洞。如今觀察到的多數大星系，中央都盤距著質量達到幾百萬乃至幾十億個太陽質量的巨大黑洞。　　黑洞有著吞噬一切的惡名。周圍的氣體塵雲在其強大的引力作用下，會達到極高的速度和溫度，螺旋運動著跌入黑洞，使這個無形巨怪的體重繼續增加。但黑洞的貪婪並不是無休止的。天文學家觀察了幾十個星系後發現，星系中央黑洞的質量大概是星系中所有恆星總質量的1/500，不會長得更大。　　是什麼因素限制了黑洞的食量與體重？美國和德國科學家最近對兩個星系相撞並融合的過程進行了計算機模擬，為解釋以上現象提供了線索。按照他們的模擬結果，大黑洞在經歷稱為「類星體」的成長階段時，周圍熾熱的氣體物質會爆發，產生一股強大的宇宙風，將絕大部分氣體塵雲從黑洞附近乃至整個星系裡颳走，拋入深空。放完這個巨大的宇宙焰火之後，黑洞沒有了食料，質量不再增長；星系也沒有了製造恆星的原料，恆星不再誕生。星系成熟了，世界清靜了。　　類星體是一種極其明亮的古怪天體，它於1960年代首次被發現。由於看起來很像恆星，又發出強烈的射電波，因而被稱為「類恆星射電源」，英文縮寫為quasar，譯作類星體。經歷了長時間爭論後，許多天文學家現在認為，與另兩種古怪天體——賽弗特星系（一種有著亮而小的核的星系）及耀變體（一種在可見光波段不明亮，但在射電波段極明亮的天體）一樣，類星體的本質是劇烈活動的星系核。在那裡，熾熱氣體在跌入巨大黑洞的途中發出強烈的射線，使得遠在幾十甚至上百億光年外的我們也能看到。　　美國卡耐基－梅隆的Tiziana Di Matteo，和德國馬克斯－普朗克天體物理研究所的Volker Springel等人，用超級計算機模擬了早期宇宙里兩個星系相撞的情形。這是人們第一次在模擬中發現星系中央黑洞合併的破壞性效果。在大約1億年的時間裡，黑洞質量不斷增長，將更多氣體燃料吸引到自己身邊，氣體在向黑洞靠近時變得更熱、更明亮。這樣，融合後的星系核就成了一個類星體。就在這個類星體階段里，某種事件發生了，熾熱氣體突然爆發出巨大的能量，產生強風，阻止物質繼續落入黑洞，並將大部分氣體拋到星系之外。這一過程阻止黑洞繼續生長，使星系停止製造恆星，當然，也結束了類星體自己的生命。模擬顯示，在小星系中央，類星體產生的風很快就颳走了幾乎所有的氣體，結果星系裡的恆星很少；大星系則有更多氣體和更大黑洞，有時間製造更多恆星。有關成果發表在2月10日的《自然》雜誌上。　　本期封面圖片就是模擬出的星系相撞過程，從上到下分別是兩個螺旋星系相撞合併、類星體形成、宇宙風颳走物質等各個階段。最終星系中只剩下很少的氣體，和一個巨大黑洞。圖中不同顏色代表氣體的不同溫度和亮度。類星體在華麗的焰火中消亡，它們的壽命與星系本身相比非常短暫。早期宇宙中有很多類星體，但大多數已經這樣消失，所以人們觀察到的類星體很少，而且總在極其遙遠的地方——也就是離我們極其遙遠的年代。年紀大的星系都已經太成熟，早就過了類星體階段。　　模擬顯示星系中央黑洞質量與星系中恆星總質量直接相關，這與觀測結果相符，意味著黑洞可能是星系形成過程的密切參與者。星系與其中央黑洞的起源，一向是先有雞還是先有蛋的問題。有人認為先有黑洞，氣體在被吸引著靠近黑洞的過程中，擠壓得更緻密而形成恆星。也有人提出，黑洞與星系同時誕生、共同成長。近年的一些觀測結果以及上述模擬過程都支持後一種理論。當然這只是一個簡單的模擬，真正的過程極其複雜，而且科學家還不明白類星體是怎樣爆發出能量的。不過無論如何，這是一個好的開始。　　
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