“創造的神秘，有如夜間的黑暗。”——泰戈爾

ESO / M. Kornmesser

黑洞是一種相當有意思的天體。在它和宿主星系間的相互影響方面，還存在着一些令人費解的謎團。

在開始這個話題前，我們首先要排除所有小型恒星級黑洞，這些小型黑洞遊離在星系盤中，雖然本身也足夠迷人，也能産生壯觀的噴流和能量輸出，但它們的能量無法對整個星系産生影響。我們關注的隻是星系中心的黑洞——超大質量黑洞。

超大質量黑洞的質量通常可以達到太陽的十億倍以上，這是它們和恒星級黑洞的主要區别——後者的質量隻比太陽大幾倍。盡管如此，超大質量黑洞并不罕見——每個大型星系的中心都有一個。天文學家對星系及其黑洞的觀測結果表明，黑洞的規模和星系的規模是同步增長的；較小的星系内，超大質量黑洞的規模較小；較大的星系内，超大質量黑洞的規模較大。

黑洞經常被稱為“星系發動機”，因為它們能夠産生巨大的能量。它們輸出的能量，差不多可以達到太陽輸出能量的數百萬倍以上。這種能量的輸出，其實是黑洞吸收外部物質生長過程中的副産品，通常表現為沿着黑洞磁場線，以極高的速度（可達光速的很大一部分）向外噴湧而出的物質流。“發動機”這個比喻反映了黑洞具有把物質（通常是氣體、塵埃，甚至恒星）轉化為能量的能力。這和汽車發動機可通過燃燒，把汽油轉化成能量，進而給汽車提供動力的道理是一樣的。

鄰近橢圓星系M87産生的著名噴流。NASA / 哈勃

我們可以把發動機這個比喻作些引申——汽車的功能會因發動機的開啟或關閉而産生差異。因此如果黑洞“開啟”——也就是說當它們吸取新的物質，産生巨大的能量時——星系理應會受到影響。比方說，可能會給星系中恒星的産生數量帶來沖擊。但天文學家的意見仍未就此達成一緻。

對于新生的星系來說，情況有所不同。研究早期星系，需要觀測極為遙遠宇宙。那裡的光在到達我們眼中時，已經飛行了數十億年，因此我們看到的，是這些星系遠古時代的樣子。在遠古時代的宇宙中，我們發現了一種十分有意思的天體——類星體。

類星體3C 273的哈勃影像。我們無法看到它所在的星系，因為類星體本身的閃光過于明亮。ESA / 哈勃 / NASA

類星體的全稱是“類恒星射電源”（或“類恒星天體”，因為它們并不都産生無線電波）。它們是一種極度明亮的點狀光源，在天空中看起來就像是恒星一樣（經常會在照片上曝光過度，或産生眩光）。但是光譜分析結果表明，這些天體并不是恒星。類星體之謎存在了許多年——因為會使照片過曝，所以很難确定它們是否存在于某個星系中。如果它們存在于某個星系中，那它們位于星系的哪個部分——是星系中心還是偏離星系中心？如果它們是孤立的，沒有星系包圍着它們，那它們又是怎麼産生的？

同一個類星體，在遮擋了來自類星體本身的強光後，就能看到包圍着它的星系。NASA / M. Clampin / H. Ford / G. Illingworth / J. Krist / D. Ardila / D. Golimowski / ACSST / J. Bahcall / ESA

随着觀測技術的不斷發展，人們終于清楚，這些類星體确實位于星系的中心，隻是因為星系本身和類星系發出的強光相比過于昏暗，所以我們之前無法看到這些星系。随後許多理論便一一出現，試圖對類星體加以解釋——中子星合并、相互作用的恒星級黑洞、碰撞産生的閃光，等等。但是随着技術的進一步發展，人們終于明白，類星體産生的足以遮蔽星系其餘部分的光，是由這些昏暗星系的中央黑洞産生的。類星體在遙遠宇宙中的數量，要比鄰近宇宙多得多——因此它們趨向于“寄生”在最年輕的星系中。

它們為什麼會這麼亮？要理解這一點，我們就必須把黑洞放到眼皮底下，進行更細緻的研究。一個活躍的黑洞，一個想要吸取更多的新物質進而長得更大的黑洞，總是會被一個極度熾熱的物質盤——積吸盤——包圍着。這個積吸盤會圍繞着黑洞轉動，它會逐漸失去角動量，無法維持穩定軌道，随後緩慢地向黑洞墜落。積吸盤外側通常還會有一個較大的塵埃氣體環，它的溫度較低，距離黑洞也較遠。在垂直于積吸盤（以及外側塵埃環）的方向上，會産生一道噴流。噴流大部分是由電子和質子構成的，其運動的速度可接近光速。這些粒子能夠以X射線和無線電波的形式向外輻射能量。

一個明亮的類星體及其産生的噴流。錢德拉X射線望遠鏡在X射線波段上拍攝。NASA / CXC / A.Siemiginowska / J.Bechtold

與在其它方向上看到的閃光相比，在正對着噴流産生的方向上，黑洞是極為明亮的。我們之所以能夠見到類星體，可能就是因為我們碰巧正對着噴流産生的方向，或非常接近于噴流産生的方向。

但并不僅僅是方向——假如僅僅是方向問題，那麼我們也會在鄰近的、不那麼年輕的星系内見到類星體。事實上鄰近宇宙中這樣的情況極為罕見。所以，還有第二個原因在起作用，這個原因和星系中心的氣體含量有關。如果星系中心的氣體含量不足，那黑洞就無法形成一個足夠大的積吸盤，無法産生強大的噴流。在本地宇宙的星系中，恒星的含量更高，氣體含量則通常小于25%。而年輕星系情況是相反的，它們通常由60%以上的氣體構成。這就意味着，即便沒有來自外部的影響——如星系間的碰撞（這在早期宇宙中也更常見，也是推動氣體在星系中心聚集的重要原因），黑洞也能輕而易舉地獲得足夠多的燃料來源，制造出直指星系以外的巨大噴流！

在碰撞中的星系内發現的一系列類星體。第一行展現了類星體發出的光；第二行遮擋了類星體的光，因而能夠看到其它特征。NASA / ESA / E. Glikman

噴流的“方向”，和中央黑洞附近的“大量氣體”這兩個因素，使“類星體”成為早期宇宙中的強大動力源。

Jillian Scudder文 /老孫譯

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