神秘的巨大黑洞

　　在北斗七星的旁邊，大熊座的「熊頭」附近，有一個形狀不倫不類的M82星系。直徑達1200萬光年的M82星系，有一條黑色縫隙橫貫其中，所以它得到了一個「破裂星系」的綽號。這條黑色縫隙實際上是一個由混雜塵埃的氣體構成的，而M82星系本身是一個標準的「透鏡」型星系。M82星系具有顯著的特徵，其中心部位以超過別的星係數千倍的速度誕生著新的恆星。最近在被稱為「星爆」的M82星系中，天文學家發現了奇異的天體。釋放千倍於太陽的能量。 　　1997年，日本京都大學的一個研究小組使用X射線觀測衛星發現M82星系內的一個天體，從非常有限的空間發出大量X射線，這個天體主要放射3000電子伏特的高能X射線，其光度達到太陽全部光度的千萬倍。 　　為了搞清這個天體的真實面目，科學家立即著手進行了反覆達9次的觀測，對可信數據的分析結果表明，這個天體在短短几天的時間裡，其光度就發生了幾倍的變化。這個天體光度的變化情況被美國麻省理工學院和內華達大學的科學家於1999年同時觀測到。它的光度變化的直接原因目前還無法確定，但是卻為科學家了解這一奇異天體的本來面目，提供了極其珍貴的數據，因為根據這些數據能夠算出這個天體的大小，它的直徑約為太陽與地球距離的數十倍，也就是說，它的大小充其量相當於太陽系。從如此小的區域內居然能夠釋放出相當於太陽1000萬倍的能量，從現代物理學可知其唯一的可能就是黑洞。M82星系中黑洞的質量。 　　「黑洞」是根據廣義相對論預言存在的天體，它憑著自身的引力把空間中的一切「禁閉」起來。黑洞的大小若用質量相比較的話，那麼具有太陽質量的黑洞，其半徑只有3公里。黑洞把一切物質吸入，連光都不可能逸出。而M82星系中的黑洞卻噴釋出大量能量，這的確是異乎尋常的。事實上，當物質被吸入黑洞的「地平線」下之前，黑洞極強的引力場引起了超高速運動，由此釋放出巨大能量。其原理與水力發電相似，在水力發電中，下落的勢能轉化為電能。對黑洞來說，因引力下落的能量由於摩擦轉變為熱能，並最終轉變為光能。 　　事實上，對被稱為「X射線雙星」的天體的觀測表明，氣體被吸入黑洞後釋放出的是光放射。黑洞是與中子星或是巨星構成彼此繞轉的雙星，從巨星流出的氣體在旋轉著落入黑洞或中子星時，會放出大量X射線。在這種情況下黑洞具有太陽的質量，若具有8倍於太陽的質量，那便是超新星爆發後的殘存物。中子星是僅由中子構成的天體，比黑洞要大上數倍。 　　迄今為止已知的X射線雙星系統最亮者達到太陽光度的100萬倍程度，M82星系發現的X射線天體在此基礎上又增高了10倍。由此估計這個黑洞的質量約為太陽的460倍到最大為1億倍。總之，這個黑洞的質量很可能遠遠超過了太陽。這說明，在M82星系發現的是待確認的黑洞，而不單純是超新星爆發後殘存物。 　　M82星系發現的待確認黑洞在研究宇宙中存在的巨大黑洞起源的時候，具有極重大的意義。決定性的證據 　　近幾年，有觀測報告說在銀河系中心似乎存在巨大黑洞，所謂「巨大黑洞」是指質量超過太陽100萬倍以上的黑洞。如果存在巨大黑洞，那麼在它周圍的物質亦應當像繞太陽旋轉的行星那樣，遵循「開普勒行星運動三定律」，哈勃太空望遠鏡就在NGC4261、室女座M84星系、室女座M87星系等星系中心發現了高速旋轉的氣體。 　　根據開普勒定律，氣體的旋轉速度應與其圍繞天體的質量的平方根成正比，與旋轉半徑的平方根成反比。如果能夠確定旋轉速度和半徑，就能求出那個天體的質量，NGC4261旋轉半徑為300光年以內，質量約為太陽質量的20億倍；M84星系旋轉半徑為30光年以內，質量約為太陽質量的3億倍；M87星系旋轉半徑為15光年以內，質量約為太陽質量的30億倍。計算結果應當說是令人吃驚的！10億倍太陽質量的黑洞的半徑大約為10天文單位，也就是1光年的一萬分之一。所以，哈勃太空望遠鏡的觀測結果與黑洞的半徑相比較，還沒有把握住黑洞的外側。 　　1995年，有關科學家與美國史密森尼安天文台合作，使用超長基線電波干涉儀群觀測獵犬座NGC4258星系的中心區域，發現在NGC4258星系中心僅0．3光年的區域內，就存在相當太陽質量3600萬倍的質量，而且獲得了迄今為止最精確的旋轉速度。由此，星系中心存在巨大黑洞的可能幾乎轉瞬間便具有了可能性。同年，科學家們進行了對確認巨大黑洞具有決定意義的觀測，證據是通過日本的X射線天文衛星觀測得到的，觀測對象是名為「MCG—6—30—15」的一個活躍星系。觀測結果表明，來自這個星系中心的X射線發生了「引力紅移」，這是非黑洞無法解釋的。 　　所謂「引力紅移」是在強引力作用下，時間似乎變慢的可用廣義相對論解釋的現象，在這種現象中光波長變長。這個現象被確認其意義就相當於直接觀測到黑洞。科學家從此得到了巨大黑洞存在的強有力的證據。任何星系都存在巨大黑洞。 　　如果巨大黑洞只是存在於特定的星系的話，那麼巨大黑洞可能就是這種特定星系特殊演化的結果。但是最近的觀測資料開始表明大部分星系的中心都存在巨大黑洞。在宇宙中存在著在一種在相當於星系大小一萬分之一以下區域，卻釋放出100個星系具有的能量的天體，這就是「類星體」。這是一種距離我們極其遙遠的天體，距離近者離地球也有20億光年之遙。從1962年第一個類星體被發現以來，這種天體的真實面目仍是待揭之謎。圍繞類星體巨大能量的來源，科學家提出了形形色色的理論和假說，而最終具有生命力的是巨大黑洞之說。 　　斗轉星移，1997年，哈勃太空望遠鏡首次觀測證實，類星體處於星系的中心部位，是星系的核心。在那裡極有可能存在巨大黑洞。但是此說難圓，迄今發現的類星體大約只有星係數目的百分之一，僅僅以此為依據還不能認為任何星系都存在巨大黑洞。 　　隨著周密觀測的進行，科學家們始知以往了解的「塞弗特星系」與類星體在光譜方面有種種類似。「塞弗特星系」的能量規模比類星體要小得多。「塞弗特星系」有Ⅰ型與Ⅱ型之分，與類星體光譜相似的為Ⅰ型。對「塞弗特星系」來說，除去其中心區域的特殊類型，一般是漩渦星系和棒旋星系，比類星體的數目多得多，達10倍以上。類星體和「塞弗特星系」總稱為「活動星系核」，科學家又進一步發現了「活動星系核」的「兄弟」———「射電星系」和「活動星系」。最近，科學家在超過半數的星系中發現了衡量星系核心活動程度的「低電離狀態發光區域」。 　　科學家認為，能夠將活動星系核用巨大黑洞和旋轉著被吸入黑洞氣體盤旋建立一個模型。根據這個模型，星系核活動性的差別由黑洞的大小和單位時間被吸入黑洞的氣體量決定。為了說明多種星系核的活動性，巨大黑洞的質量必須達到太陽質量的1000萬倍到10億倍的程度。質量居中的新類型黑洞。 　　如果我們認定幾乎所有的星系中心都無一例外地存在巨大黑洞的話，那麼這種現象是如何形成的呢，對於這個問題科學家們還沒有掌握明確的答案，獲得答案的關鍵也許就在尚待確認的M82星系中的黑洞。 　　通過光度變化發現的M82星系的待確認黑洞的最大質量大約是太陽質量的上億倍。但是這其中存在一個令人不解的事實──M82星系的待確認黑洞不在星系的旋轉中心，而在距旋轉中心400光年之遙的位置。如果它具有太陽1億倍的質量，那麼這個黑洞的引力將佔支配地位，它周圍的一切都應當以黑洞為中心旋轉，不能想像這個黑洞在圍繞別的什麼旋轉。由此可知，這個黑洞並沒有那麼巨大，它很可能是質量居中的新類型，是質量為太陽100倍到100萬倍的中間質量黑洞。 　　科學家對M82星系進行了空前精確的觀測，1999年，美國航空航天局的科學家發表了新的觀測報告，他們獲得的證據表明，一個質量為太陽100倍到1萬倍的黑洞在距星系中心約1000光年的位置旋轉。他們在對39個星系觀測中發現其中21個星系中有這種中間質量的黑洞。如果事實果真如此，那麼它將成為解開星系中心巨大黑洞之謎的重要線索。巨大黑洞如何形成尚無定論。 　　正如前面談到的，科學家認為質量相當於太陽的黑洞是超新星爆發的結果，但是對於巨大黑洞的起源，目前還沒有定論。巨大黑洞是怎樣形成的呢？ 　　達到太陽質量100萬倍的天體，其半徑會凝縮至0．01光年以下，成為一千萬分之一光年大小的中間質量黑洞。在質量為太陽100萬倍的天體中有「球狀星團」。球狀星團在宇宙中存在的天體中密度之大異乎尋常，但是球狀星團大小達數十光年，無論如何不能成為黑洞。在球狀星團中作為超新星爆發的殘存物存在質量相當於太陽的黑洞。但是如此小的黑洞逐漸構成了雙星，要演化成一切都被吞併其中的中間質量黑洞，需要比宇宙年齡更長的時間，所以球狀星團今天依然固我。 　　在「星爆」里正以迅猛的速度生成著新的恆星，同時超新星爆發也呈猛烈之勢，結果質量相當太陽的黑洞理當比一般星系存在得更多。那麼這些黑洞吸聚周圍氣體逐步變大成為中間質量黑洞，難道不存在中間質量黑洞彼此聚合成為巨大黑洞的可能嗎？不過計算可知，即使用宇宙年齡同樣時間來集聚氣體，質量也不過只能增加百分之幾。黑洞合而為一的概率在球狀星團的情況下要低得多。解決疑問的關鍵何在？ 　　那麼，巨大黑洞不會由小黑洞聚合而成，就沒有突然形成中間質量黑洞的途徑了嗎？要存在這種可能關鍵之處在於是否能把具有太陽質量100萬倍的天體凝縮至0．01光年以下的空間。作為一種可能性，美國哈佛大學的科學家提出了一種新的設想：在宇宙誕生之初由大質量的天體產生了中間質量的黑洞。科學家們把這個過程用計算機進行了模擬，結果顯示，在宇宙誕生30萬年時，大質量天體中發生了電離，大小凝縮至0．01光年以下。此時，宇宙中清澈無比，光能夠通行無阻。由此產生的黑洞質量約為太陽的10萬倍到100萬倍，基本上是在與星系無關的空間形成的。 　　如此大小的黑洞與星系遭遇，在力學的摩擦效果作用下，黑洞便落入星系的中心。如果落入星系中心的黑洞一年間會附著一個太陽質量的物質的話，1億年後就會擁有1億倍以上太陽質量，從而成為巨大黑洞。以類星體的能量來說，如此規模的質量附著是必不可少的。但是這種模型也不能完全自圓其說。考慮到一般的宇宙模型，以這種機理形成的黑洞的數目比星系的數目要少得多。因此在理論上，形成巨大黑洞的確切過程應當說仍未明了，所以具有中間質量、圍繞星系中心旋轉的M82星系黑洞，是非常耐人尋味的。關鍵問題在於求出M82星系黑洞的準確質量，並搞清其形成的過程。這些問題的解決對於揭開巨大黑洞之謎，具有決定性的意義。巨大黑洞仍是待揭之謎。 　　巨大黑洞的起源之謎直到今天仍包裹在重重迷霧之中，說不清道不明。黑洞是如何越變越大的，巨大黑洞又與星系的誕生和演化具有怎樣的關係，需要解釋的疑問還多得很。1995年，美國夏威夷大學和密執安大學的幾位科學家，在研究了巨大黑洞起源的問題後，發表了非常有趣的分析結果。 　　他們將巨大黑洞的觀測結果針對某一天體，把黑洞的質量與星系「鼓包」進行了比較。所謂星系「鼓包」指的是處於星系中心呈球狀分布的古老恆星的集團。結果表明，這個比例大約是1000∶1，就算黑洞的質量有變化，但這個比例都沒有明顯變化。星系「鼓包」在構造上與星系盤有所不同，橢圓星系幾乎都是由「鼓包」構成的。 　　若美國科學家發現的關係具有普遍意義，黑洞的形成便很可能與星系「鼓包」的形成有密切關係。星系「鼓包」是由星系形成初期的「星爆」形成的——— 　　這一假說現在比較有說服力。巨大黑洞也與「星爆」有關嗎？新類型的黑洞是在M82星系被發現的，而它也是「星爆」。 　　「星爆」、星系形成、星系「鼓包」、活動星系核，以及中間質量黑洞和巨大黑洞，在這一系列組合之後，最終能夠描繪出的到底是什麼呢？ 　　在星系中，仍然隱藏著許多的謎團。 　　根據近年的觀測，人類所在的銀河系的中央具有棒狀構造，所以銀河系也可能是一個棒旋星系。
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