谁是宇宙的主宰?
许多大星系的中心都有一个黑暗暴君。
英国出版的《新科学家周刊》有一篇名为《宇宙的主人》的文章指出,虽然它的臣民看不到这个“君主”,但它主宰着绵延数千光年的数十亿个“太阳系”。它存在于所有“太阳系”诞生之前,并且长期以来一直在帮助塑造它们的未来。这些“暴君”就是黑洞,天文学家称之为“超大质量”天体。
自从20世纪初天文学家预言黑洞的存在以来,人们得到了各种证据来证明宇宙中确实存在黑洞。然而,人类对这个用可见光看不到的天体了解到什么程度呢?
如今,天文学家开始怀疑他们是否在宇宙中留下了自己权威的象征。研究人员提出,巨型黑洞是宇宙中所有星系的种子。最近,天文学家发现了更多支持这一观点的证据。
早在几十年前,天文学家就发现了类星体——遥远星系中心的明亮天体。
类星体可能比它们周围的星系亮几百倍,但它们的体积比我们的太阳系小。究竟是什么能从这么小的空间发出这么多的光和辐射?――黑洞是一种可能性。
虽然人们更了解黑洞吞噬光线的能力,但它们也可能是灿烂光线的发源地。被黑洞吞噬的物质会在黑洞周围形成一个螺旋圆盘,圆盘在剧烈搅动过程中产生的摩擦力会把寂静的气体加热到白热化状态。天文学家认为这就是类星体发光的原因。
所以,当天文观测结果开始证明更多普通星系的中心存在黑洞时,天文学家自然会认为它们是能量耗尽的类星体。
1978年,在一个编号为M87的星系中,天文学家首次捕捉到如此巨大的黑色质量。
1988年,密歇根大学的道格里奇柊司和他的同事艾伦德雷斯勒观测到了螺旋Andlau Moda星系和椭圆小星系M32,科学家们得出结论,这两个星系中肯定存在巨大的黑洞。
果然不出几年,哈勃太空望远镜已经在我们附近的20多个星系中发现了巨大黑洞存在的证据。其中一个黑洞就是我们自己的:银河系中心有一个质量为300万个太阳的黑洞。
那么,这些超大质量黑洞在星系的生命过程中扮演着什么角色呢?
在2016年1月的美国天文学会会议上,里奇柊司提出了一个在天文学家中引起激烈争论的观点:黑洞可能首先是星系的缔造者。里奇柊司的观点颠覆了传统的天体物理学。宾夕法尼亚州立大学的戈登甘迈尔(Gordon Gammaire)指出,巨大的黑洞可能是在时间刚刚诞生的时候形成的,它们一直是周围形成的新星系的种子。
为什么星系需要这样的“种子”?早期的宇宙非常均匀。大爆炸留下的余晖表明,在宇宙早期,不同区域之间的密度差异非常小,不超过十万分之一左右。为了创造出我们今天看到的由星系和空间组成的宇宙,这些微小的密度差异一定被放大了很多倍。而这个放大过程是非常迅速的。因为星系是在大爆炸后十亿年才出现的。加麦尔指出:“这段时间对于宇宙完成从‘平滑’到‘粗糙’的进化来说并不算太长。”正因如此,他提出,巨大的黑洞可能在这个过程中扮演了一个引力种子的角色,黑洞会将受其引力影响的物质吸引到其周围,这些物质会进一步演化为恒星。换句话说,星系诞生了。
与此同时,美国宇航局的钱德拉X射线天文台也为里基柊司提供了一些证据来支持他的观点。一个由天文学家组成的研究小组在期刊《自然》上发表了钱德拉望远镜的观测结果。研究小组负责人理查德穆索茨(Richard Mussotz)提出,新发现的“黑暗天体”可能是非常遥远的类星体。它们发出的普通光已经被星系间的气体吸收,所以只有射线穿过星系间的气体到达地球。它们可能是充满活力的青年时期的类星体,那时大多数星系还没有形成。
然而,即使有证据表明黑洞并没有那么古老,它们仍然可能对星系的演化产生深远的影响。
柊司与十几个天文学家合作,例如德雷斯勒大学和多伦多大学的约翰马里恩,收集邻近星系中黑洞的所有已知信息。他们发现星系中心黑洞的体积始终是其周围核球体积的1%左右。但问题是,为什么核球的大小和星系中心黑洞的大小有如此密切的关系?
1988年,英国剑桥大学的马丁里斯和乔西尔克提出了他们对这种紧密联系的解释:年轻的类星体发出的辐射可能会推动带电粒子风吹到环绕在它周围的星系中去,随着黑洞吞噬的物质越来越多,其体积也在稳步增加,类星体因而会变得更亮,带电粒子风也会相应加强。最终,带电粒子风的强度大到足以克服星系引力的程度,这时它就会把所有的气体都吹走。随着黑洞的气体供应被切断,它会停止膨胀,而整个星系的扩张也会相应停止。西尔克和里奇斯通通过计算得出:黑洞的体积必须增加到与马戈里安提出的质量关系大致相当的程度才会停止增长。
在此之前,年轻的类星体可能还会对其周围的星系产生其他的影响。密歇根大学的里奇斯通指出:“在其生命最初的1亿年时间里,类星体可以控制其所在星系的能量输出。”在这一段时间里,类星体发出的所有辐射也许可以帮助引发恒星的形成,虽然这一变化过程相当复杂。
类星体也可能会搅动其所在的星系。它们会喷出带有强大的能量的高速物质,这种高速物质流可以席卷整个星系,从而产生对周围气体有压缩作用的冲击波。这种压缩也有可能对恒星的形成产生帮助作用。
最后,巨大的黑洞可能会改变其所在星系的形状。早在20世纪70年代,牛津大学的詹姆斯宾尼通过计算认为:大多数椭圆形星系的形状都非常奇怪,它的x轴、y轴、z轴中应该有一条较长,而另一条的长度则介于二者之间。椭圆形星系看上去可能有点像一粒西瓜籽,或者一个被压扁的橄榄球。
但是,后来的天文学观测表明,大多数椭圆形星系的形状要比宾尼描述的更为对称――就像M&M巧克力豆一样是一个被压扁的球体。这是因为星系中央的黑洞扰乱了该星系恒星的运行轨道,从而使它们变得不稳定。因此,这个星系的形状很快就会变成更为稳定的扁球形。
事实上,我们很难相信黑洞会拥有上面提到的这些强大力量中的任何一种:比我们的太阳系还小的东西,却可以控制由数十亿颗恒星组成的巨大的宇宙区域,这种说法看起来仍然充满怪诞的色彩。
但根据路透社华盛顿电,关于黑洞的强大力量之说又有了新的证据。就在发布电文的当天,利用哈勃天文望远镜工作的天文学家公布了一张照片,从中可以看到宇宙中电子流的喷发。这股电子流像探照灯一样在宇宙中闪闪发光,其动力来源于吸力强大的黑洞。
这个看起来像宇宙探照灯光束的电子流实际上由几乎以光速从M87星系中心喷射出来的电子以及其他亚原子粒子组成。M87星系距离地球5000万光年,这股电子流自身的长度大约为5000光年。人们可以通过因特网看到这张最新发布的由哈勃望远镜拍摄的照片。
科学家发表的一份声明说,天文学家们早在1918年就知道了这股来自M87星系的奇特的电子喷射流,但是只有这张由哈勃望远镜在1998年拍摄并经过科学家们两年研究的照片揭示了这股电子流的来源。
天文学家们说,M87星系的中心隐藏着一个特大黑洞,它已经吞噬了相当于太阳质量20亿倍的物质。