超级黑洞是如何形成的？

超级黑洞

有一个十分古老而又一直悬而未决的问题：人是从哪里来的？接下来的另一个关键问题是：星系是从哪里来的？如果没有星系，就不会有恒星和行星，我们也就不可能存在。所以，“星系是如何形成的”就成为一个最基本的问题。

天上有怪兽

星系远远不只有一个，所有的星系几乎包含了宇宙中所有的星球。星系中诞生了宇宙中所有的恒星，而恒星则制造了氧、碳、行星和生命所必需的其他一切要素。

在人眼中，地球所在的银河系是天空中一条由群星组成的带子。事实上，它是一个不停旋转着的巨大圆盘，宽达20万光年。银河系中有超过2000亿颗像太阳一样的恒星，这些恒星都在环绕着银河的中心缓慢运动。地球所在的银河系，只是1250亿个形状、大小各异的星系中的一个，可是直到现在，我们对其中任何一个星系的来历都不清楚。

我们只知道：在宇宙形成之初，既无恒星，也无行星，只有一个个由氢气组成的、不停旋转着的巨大云团。一个末解之谜是：这些气团是如何转变成我们今天所见的一个个星系的，或者说是如何转变成一个个星系中的一颗颗恒星的。

星系的形成过程非常复杂，它与引力有关，与巨大气团的相互碰撞有关，与恒星的原动力有关，还与气团的化学组成有关。但“星系究竟是如何形成的”这一问题，却已困扰了世界顶尖的天文学家和物理学家数十年之久。直到2000年初，科学家们才找到了破解这一重大奥秘的线索。找到线索的人是一组天文学家，但他们不是研究星系的专家，而是专攻在科学中已知的最为暴烈、也最具毁灭性的力量——超级黑洞的行家。

直到最近，超级黑洞都只存在于理论中。它们的体积和重量都大得令人难以想象，一个超级黑洞的质量是一个普通黑洞的1000万至十亿倍，也就是说，一个超级黑洞就可能占据整个太阳系。

超级黑洞是引力完全失控、走向极端的结果。由于密度很高，因此超级黑洞的引力也很大，以至于任何东西都无法逃离它的俘获，甚至连光线也不例外。任何靠近超级黑洞的物体，无论是气体、恒星还是整个太阳系，都会被它吸入而变得无影无踪。它甚至还能摧毁宇宙的结构，如果把宇宙看作是一张由时空编织成的网，那么普通恒星和行星的引力只能在这张网上造成一个凹痕，而超级黑洞的巨大引力则能将时空扭曲成一个破裂点。在超级黑洞的腹心，是物理学中最为神秘的物质之一——奇点，也就是时间、空间和一切已知的物理学法则土崩瓦解的所在点。

奇点的中心究竟在发生什么，是一个完全未解之谜。要解决这个问题，需要全新的物理学理论。有人认为，一旦你落入奇点，就会在宇宙的另一部分蹦出来。正由于超级黑洞是如此怪异，所以直到最近，许多科学家都怀疑它们是否存在。其实，超级黑洞本身就是一个十分极端的概念，它当初被臆造出来，是为了解释一种非常罕见而又十分遥远的星系——“活跃星系”。活跃星系是宇宙中最明亮的物体之一，这些星系中都有一个燃烧着的明亮内核，内核在燃烧的同时喷射出巨大的能量流。这个由炽热气体组成的明亮内核被称为“类星体”。科学家们认为，这一旋转着的气团是在超级黑洞吸入气体和恒星时造成的，可以说黑洞是张开血盆大口、蹲伏在星系中心的巨大怪兽。

有一种观点认为，类星体不是黑洞，也不是超级黑洞，而是即将坠入超级黑洞的气团。这些气团在黑洞周围运行，最终消失在黑洞中，而就在消失前的一刹那，是它们最明亮的时刻。这正是超级黑洞强大引力作用的结果。超级黑洞的强大引力会将附近的气团和恒星拖拉至接近光速，气体之间、恒星之间和气体与恒星之间的猛烈碰撞会将气体加热至100万度以上，从而发出强光。

揪出隐身鬼

事实上，虽然类星体在熊熊燃烧，但是如果其中没有黑洞的存在，就不可能看见类星体的发光。黑洞之所以不可见，是由于它把光线都吃掉了。因此，多年来无人能确定活跃星系中间是否真的有超级黑洞。于是，在寻找超级黑洞之前，首先要证明它的存在。1983年，一位名叫阿伦·德雷斯勒的天文学家来到美国加州的帕罗玛太空望远镜基地，他相信自己已经找到了一种能证明超级黑洞存在的方法。虽然不能直接看见黑洞，但可能找到黑洞引力存在的证据。如果存在黑洞，其引力必定会对附近经过的恒星造成影响。具体而言，超级黑洞的巨大引力会将环绕黑洞运行的恒星加速至超过50万千米/小时。换句话说，通过测量恒星的移动速度，就能知道在活跃星系中心是否存在黑洞。

德雷斯勒选择的研究对象，是一个叫做“NGCl068”的活跃星系。为查明“NGCl068”中的恒星是否移动得很快，就需要把这些恒星与没有黑洞的星系中的恒星进行比较。由于没有黑洞的星系中心引力较弱，所以环绕这个中心运动的恒星速度会减慢。德雷斯勒选择的比较对象是与地球所在的银河系相邻的另一个星系——“仙女座”，它和银河系一样，都具有一个不活跃的中心。为测量这两种星系中恒星的速度，他使用了一种叫做“分光镜”的仪器。当恒星环绕星系中心运动时，“分光镜”的镜头中，星系是一条白色的带子，而恒星围绕星系中心的运动则由一条暗色的垂直线来跟踪。假如恒星的运动很慢，则暗线不会显示出什么改变；反之，如果恒星的运动速度很快，暗线就会呈现出很陡然的改变。

在接下来的连续数个夜晚，德雷斯勒分别测量了“NGC1068”和仙女座中的恒星速度。望远镜观察的结果，简直出乎他的意料。尽管他对活跃的“NGC1068”中心存在黑洞的信心十足，但可惜的是，来自那里的图像根本无法辨别。原因很简单——“NGC1068”实在是太遥远了，望远镜根本无法拍下它的清晰图像。而当他把目光转向仙女座时，这个他原本以为很平静的星系，却让他大吃一惊。分光镜中的图像显示，围绕仙女座中心运动的恒星速度竟接近150千米/秒，达到50万千米/小时。对此，只可能有一种解释：仙女座中央存在超级黑洞。无独有偶，另一位天文学家几乎在同时也有了同样的发现。

这两位科学家所发现的，正是自然界最可怕的力量——超级黑洞存在的证据。更可怕的是，超级黑洞并非只存在于某个遥不可及的活跃星系，而且也存在于我们的近邻。奇怪的是，仙女座虽然看上去具有黑洞，却没有明亮的类星体。为何会这样呢？很大的可能性是，那里没有物体坠入黑洞。或许，很多星系都有蛰伏阶段，虽然其核心存在超级黑洞，但是由于黑洞没有在进食，所以不发光。

有不少理论认为，超级黑洞能够以两种状态存在。当它在进食时，能产生一团环绕自己不停燃烧的明亮盘状气体，接着由于某种原因，黑洞停止进食，从而留下一个黑暗的、死寂的内核，虎视眈眈地蛰伏在星系中央。而在我们的近邻——仙女座的中心，正有这样一头不露声色、安安静静却又暗藏杀机的怪兽。在地球的近邻存在超级黑洞的新闻轰动了世界，可是许多科学家对此难以置信。他们认为这实在是可怕得离谱，甚至连发现超级黑洞的科学家也开始不相信自己。

说怪也不怪

为了让怀疑者信服，就必须在更多的星系中找到更多的超级黑洞。为此，需要把目光投向更远的太空。从1994年开始，哈勃望远镜对那些遥远的星系中心进行了一系列系统性的观察，试图找到超级黑洞周围恒星在快速移动的线索，结果发现，无论是在活跃星系还是非活跃星系中，都存在超级黑洞。“M87”、“NGC3115”、“NGC3379”、“NGC3379”、“M31”和“M32”……一共找到了30多个超级黑洞。如此看来，超级黑洞远远不是什么罕见的怪物，科学家们开始相信，所有星系的中心都有超级黑洞。如果真是这样，那就令人非常不安：莫非我们的银河系中心也有这样一个怪物？

女科学家安德蕾·盖丝过去几年中一直待在夏威夷天文中心，她试图在银河系中央找到超级黑洞。她所使用的凯克望远镜比哈勃还要强大，是世界上最大的光学望远镜。这架坐落在4570米高山顶上的望远镜，镜面直径达10米，由36块经过精细打磨的铝化玻璃制成。望远镜的镜面越大，就能搜集到更多光子，这就是它能让我们看到更多细节的原因。

每年当中，盖丝会有4次将凯克对准围绕我们的银河系中心运动的恒星。在其中的每一个夜晚，她都会为这些恒星拍下许多图像。图像上有一个个的点，每一个点都是一颗恒星，只不过图像上的每一颗恒星都是被扭曲了的。这就好比透过池中的水去看池底的一枚硬币。如果是在流水中观看硬币，则每次看到的都不一样。所以，需要把在一夜之间拍摄的所有图像叠加起来，通过电脑修正由地球大气层造成的视像扭曲，这样就得到一张银河系中央情况的清晰图像。

在过去5年中，盖丝一直在跟踪这些恒星的运动，如果不存在超级黑洞，恒星的移动速度就应该很慢。盖丝却发现，它们的速度达到1000千米/秒。由于这些恒星距离银河系中心2光周（光周是指光在一周时间内走过的距离），就证明在距离银河系中央2光周的范围内，有着一个质量为太阳的200万倍的物体存在，如此高密度、高质量的物体只可能是超级黑洞。尽管你看不见它，它却实实在在蛰伏在银河中央。接下来的问题就是：它对自己周围的天体会产生何种影响？事实上，既然每一个星系中央都存在着超级黑洞，这就不可能纯属巧合。那么，这些怪兽为什么会待在那里？是它们在影响着银河系，还是银河系在影响着它们？两者之间又有什么联系？

说恶也不恶

科学家们首先注意到，星系的大小与黑洞的大小之间存在一种奇怪的联系，比如较小的星系中黑洞的质量只相当于太阳质量的100万倍左右，而较大的星系中，黑洞的质量为太阳的十亿倍左右。另外，每一个黑洞的大小都与其所在的星系的大小成正比。而且不管星系是大是小，其中黑洞的质量都为星系总质量的0.5%。这是为什么呢？

直到3年以后，随着哈勃太空望远镜上又添加了一系列新的仪器之后，这方面的研究才取得进展。两位天文学家——劳拉·费拉里丝和卡尔·吉布哈特分析了哈勃3年中获取的这方面所有数据，并在2000年初向世界公布了他们的惊人发现。

卡尔和劳拉分析了星系的所有不同特点，最后他们注意到了一个叫做“西格玛”的特性。“西格玛”是指在星系外围运动的恒星的速度。由于这些恒星是如此远离黑洞，所以它们的运动完全不受黑洞引力的影响。假如把黑洞从星系中取掉，这些恒星的运动不会发生任何改变。这让科学家们相信，黑洞大小与星系边缘的恒星速度不会有任何联系。然而，卡尔和劳拉运用有关数据计算出黑洞质量，并且把黑洞质量和星系外围恒星的运动速度一一对应在一张图表上，结果发现了一个惊人的规律：黑洞质量越大，星系外围的恒星运动速度也就越快。

这的确让人不可思议：毕竟星系外围的恒星与黑洞之间并无物理学上的联系，然而，不知由于什么原因，恒星的速度却与数十亿千米之外的黑洞大小密切相关。这不由得让人想到，就算黑洞与恒星现在没有物理学上的联系，过去肯定曾有过。有人提出，星系和黑洞在诞生之时就有联系，事实上，超级黑洞很可能与星系自身的形成过程有关。

马丁·里斯和乔·斯尔克是研究星系形成之谜的专家。3年前，当黑洞刚刚被发现时，他们就想到了黑洞可能与星系的形成有关。以前所有的有关星系形成的理论都假定，早期宇宙中的气团只是通过压缩和聚合，就形成了恒星和星系。而斯尔克和里斯则提出了一种全新的观点。他们认为，每一个早期气体云团的中心后来都发生了坍缩，从而形成了超级黑洞。超级黑洞一经形成，立即开始吞食周围的气体，形成明亮的类星体。斯尔克意识到，刚刚形成的类星体会产生能量，从而在周围气体中产生剧烈的温度变化。这又导致黑洞周围的气体和刚刚形成的类星体相互挤压、聚合成恒星。由此可以看出，黑洞帮助催生了星系。也就是说，黑洞并不只是贪婪的恶鬼，因为它对星系的形成产生了非常正面的影响。

不仅如此，斯尔克和里斯还解释了黑洞停止进食的原因，并算出了黑洞停止进食的时间。他们认为，黑洞进食之后，会变得越来越大，最终，它的明亮类星体所喷发出的巨大能量会将星系的其他部分逼出黑洞的势力范围，这就好比一阵狂风吹走了周围的气体。

当势力范围内只剩下了一个旋转着的炽热类星体时，黑洞就会把类星体也吞没掉，接着便停止进食，隐身在星系的中央。斯尔克和里斯还算出了黑洞会在什么时候把周围星系的其他部分推开，这一时刻竟然取决于星系外围恒星的运动速度。恒星运动速度越快，黑洞就越难推开它们。只有当黑洞变得足够大时，才能产生足够的能量来压制恒星的运动。也就是说，黑洞的大小最终取决于在刚刚形成的星系中运动着的恒星速度。

假如超级黑洞果真引发了恒星的形成，就意味着所有的超级黑洞及它们所在的星系是在诞生之初就相互关联的。同时也就意味着，星系形成之谜的答案就在星系中央的超级黑洞中。无论是什么原因控制着星系的形成，都有理由相信同样的原因也在控制着超级黑洞的形成，甚至控制着万事万物——包括人类的由来。

这一发现当然引起了轰动。理论和观察结果使科学家们形成了有关星系来历的新观点。它仍然只是一种理论，许多细节问题仍未搞清，但如果这一理论无误，一切就应该是这样开始的：早期宇宙是气体的世界，每一个旋转着的气体云团最终都会变成一个星系，但在这之前必须形成贪得无厌的超级黑洞；黑洞一形成，就开始以强力搅动气云，由此引发恒星的形成，星系随之诞生；最终，黑洞和它的类星体会把星系的其他部分推开；将自己的类星体吞没之后，黑洞没有东西可吃，便在星系的中央隐身蛰伏下来。所以，超级黑洞这种可怕的强大力量，也可能是星系形成的关键。然而，黑洞潜在的毁灭性力量也不应被忽视。

不必害怕它

最近，盖丝又在夏威夷取得了一项新发现——我们的银河系中央出现了一个新光源，这表明黑洞可能正在进食。事实上，一个安安静静蛰伏着的超级黑洞，随时都可能重新进食。盖丝所发现的新光源，有可能来自于正在被黑洞吞食的炽热气体。当然，这个新光源也可能只是来自于另一颗恒星，如果真是这样，它就会随着恒星一起运动。而如果是来自黑洞，光源看上去应该静止不动。为查明光源是否在运动，盖丝分别在2000年5月和7月拍摄了光源照片。照片表明，虽然恒星在运动，新光源却没有动，这就暗示那些光来自银河系的正中，也就是来自于超级黑洞。接下来自然要问：如果银河系中的黑洞已开始进食，远在距离黑洞2.4万光年以外的地球会不会受到影响？

盖丝指出，人类绝对没有必要担心自己会被超级黑洞吞没，因为与其他星系中的黑洞相比，银河系中的黑洞胃口要小得多，就算它已在进食，但从天文学的意义讲，它也只是刚刚开始而已，而且进食量也微乎其微，只有那些因迷路而十分靠近它的少量气体才会落入它的虎口。银河系中的黑洞早在几十亿年前就已停止生长，只有特大的灾难性事件才可能真正重新激起它的食欲，这种灾难性事件是指某种暴烈的力量把银河系边缘的恒星也推进黑洞的虎口。科学家们算出，这样的灾难确有可能发生，但这最早也是在30亿年之后——完全不必杞人忧天，因为30亿年是如此漫长，还未到那时，人类肯定早已想出办法——比如移民到其他星系，从而安全逃离黑洞的魔掌。

这里，不妨想象一下银河系和仙女座的最终命运。眼下，仙女座正以40万千米/小时的速度朝地球方向移动。30亿年之后，仙女座和银河系可能会以每秒成百上千公里的高速猛烈相撞，由此造成的强烈震波穿越气体，将气体加热至极高温度。在这一大动荡中，气体会被吸入两个正在合并的黑洞中，这会让两头怪兽张开血盆大口，经过吞食、合并，它们最终形成一个更恐怖的超级黑洞。

在此之前的猛烈碰撞中，地球和太阳系都会被打出原有的轨道。但有两种可能性：或者被抛入银河系外侧的空旷太空，或者被黑洞吞食，从而引发巨大的星际爆炸和超新星。如果真是这样，超新星爆炸的震波将击中地球大气层，地球大气瞬间被烧个精光，海洋随之被烤干……不过，聪明的地球人那时早已在其他星系安居乐业，开创更加高度的文明了！