|
20世紀(jì)60年代，質(zhì)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(zhì)量黑洞與普通黑洞截然不同，普通黑洞只有幾個太陽質(zhì)量而且它們的形成過程也非常清楚。然而，我們對超大質(zhì)量黑洞的起源一無所知，它 們在很長一段時間內(nèi)仍停留在假設(shè)的階段。直到20世紀(jì)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(guān)它們存在的證據(jù)仍然很缺 乏。在以后的十年中，天文學(xué)家付出了大量的精力來尋找星系核中“暗天體”的動力學(xué)證據(jù)?，F(xiàn)在證據(jù)已很充分，在兩個天體——銀河系和NGC4258——中， “暗天體”存在于一個非常小的區(qū)域內(nèi)，而這一區(qū)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(yuǎn)鏡的觀測表明，黑洞存在于每個星系之中。地面光譜觀 測的結(jié)果則強烈暗示，黑洞是星系的“常規(guī)武器”。這些觀測預(yù)示著黑洞的成長與星系的形成之間有緊密的聯(lián)系。這些結(jié)果深深地改變了天文學(xué)家對黑洞的認(rèn)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(xué)學(xué)會會議，在有關(guān)黑洞的全天會議上，黑洞存在的證據(jù)有了巨大的進(jìn)展。報告新發(fā)現(xiàn)了至少15個黑洞，這樣可供 研究的黑洞數(shù)量至少已達(dá)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(jié)果，在黑洞與星系之間存在一種新的關(guān)系。兩個小組都發(fā)現(xiàn)，在具有較大的恒星隨機速度σ的星系中 其黑洞的質(zhì)量較大。先前也觀測到一個相類似的黑洞質(zhì)量與星系核球光度（可度量星系核球質(zhì)量）的關(guān)系：質(zhì)量越大的核球中存在質(zhì)量越大的黑洞。這也沒什么可驚 訝的，因為許多天體的性質(zhì)取決于它的質(zhì)量，而且質(zhì)量越大的星系有更多的物質(zhì)來“喂養(yǎng)”黑洞。但是這一質(zhì)-光關(guān)系的誤差較大，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(fā)現(xiàn)的這一關(guān)系誤差則很小。
在天文學(xué)中，事物間緊密的聯(lián)系將導(dǎo)致基本理論的進(jìn)步。黑洞質(zhì)量與σ的關(guān)系暗示著星系形成和黑洞吸積物質(zhì)（黑洞積聚物質(zhì)以此噴發(fā)成為類星體）之間的聯(lián) 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“喂養(yǎng)”怪物的過程很難被理解。但是把黑洞的成長用于解釋星系的形成則是一大進(jìn)步。
為什么具有非比尋常的質(zhì)量的黑洞同時具有較大的σ？這可能有幾種解釋。例如，恒星的質(zhì)光比可能異常得大；為了平衡越大的質(zhì)量就需要越大的速度。然而， 這被證明并不是關(guān)鍵。相反，核球的速度彌散越大，其結(jié)構(gòu)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，恒星靠得很近，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(dāng)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(dāng)星 系不尋常地收縮時黑洞仍具有巨大的質(zhì)量，這就強烈得預(yù)示著星系核球形成的過程決定了黑洞的質(zhì)量。
與核球形成鮮明對比，旋渦星系的性質(zhì)與黑洞質(zhì)量沒有直接聯(lián)系。旋渦星系中黑洞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比由質(zhì)—光關(guān)系推測的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，那么M33就應(yīng)該含有一個質(zhì)量在1～3×107個太陽質(zhì)量之間的黑洞。但是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的分光鏡顯示M33不可能包含一個質(zhì)量超過2000個太陽質(zhì)量的黑洞。因此黑洞的成長只和橢圓星系的形成聯(lián)系了起來。
當(dāng)星系碰撞合并時形成了橢圓星系。合并期間引力作用混合了彼此的恒星并且重新分配了角動量；其結(jié)果是被迫合并的系統(tǒng)（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(jié)果顯示當(dāng)一個橢圓星系噴發(fā)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并，它不僅促使恒星爆發(fā)而且給活動星系核提供了物質(zhì)。
黑洞成長和橢圓星系形成之間確切的關(guān)系目前并不明確。一些學(xué)者認(rèn)為黑洞的成長先于星系的形成。例如，斯?fàn)柨耍⊿ilk）和瑞斯（Rees）認(rèn)為先期形 成的巨大黑洞通過輻射壓和活動星系核噴發(fā)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后，一些黑洞的質(zhì)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、之后增長了多少質(zhì)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(rèn)為ULIRG是類星體的前身。這一觀點導(dǎo)致一場十年的辯論，是活動星系核還是恒星爆發(fā)為ULIRG提供了能量。現(xiàn)在觀 測的結(jié)果是雙方都是正確的，ULIRG大約2/3的能量來自恒星爆發(fā)，余下的則來自活動星系核。ULIRG的性質(zhì)完全取決于星系的形成，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范圍內(nèi)觀測到的能量坡度小得多。菲伯（Faber）及其同事 認(rèn)為這些核可能是由雙黑洞的軌道瓦解而成。當(dāng)兩個星系合并時，它們的黑洞形成一個雙星系統(tǒng)，然后通過拋射恒星而融合。這就降低了恒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(zhì)反饋形成。如果黑洞通過塌縮來喂養(yǎng)自己并形成星系，那么由其所致的活動星系核會很活躍，來影響試圖掉進(jìn)黑洞 的氣體。這可以防止恒星形成的不足。
我們?nèi)圆恢肋@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(guān)系是非常引人注目的。
進(jìn)一步的成果可能很快取得。我們已進(jìn)入了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的主要使用期。自從1997年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡安裝了空間望遠(yuǎn)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(fā)現(xiàn)更多的黑洞，其必將超過我們過卻15年發(fā)現(xiàn)的總和。
|
