在北斗七星的旁边

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1、在北斗七星的旁边，大熊座的“熊头”附近，有一个形状不 伦不类的 M82 星系。直径达 1200 万光年的 M82 星系，有一条黑色缝 隙横贯其中，所以它得到了一个“破裂星系”的绰号。这条黑色 缝隙实际上是一个由混杂尘埃的气体构成的，而 M82 星系本身是一 个标准的“透镜”型星系。M82 星系具有显著的特征，其中心部位 以超过别的星系数千倍的速度诞生着新的恒星。最近在被称为“ 星爆”的 M82 星系中，天文学家发现了奇异的天体。 释放千倍于太阳的能量 1997 年，日本京都大学的一个研究小组使用 X 射线观测卫星发 现 M82 星系内的一个天体，从非常有限的空间发出大量 X 射线，这 个天体主

2、要放射 3000 电子伏特的高能 X 射线，其光度达到太阳全部 光度的千万倍。 为了搞清这个天体的真实面目，科学家立即着手进行了反复 达 9 次的观测，对可信数据的分析结果表明，这个天体在短短几天 的时间里，其光度就发生了几倍的变化。这个天体光度的变化情 况被美国麻省理工学院和内华达大学的科学家于 1999 年同时观测 到。它的光度变化的直接原因目前还无法确定，但是却为科学家 了解这一奇异天体的本来面目，提供了极其珍贵的数据，因为根 据这些数据能够算出这个天体的大小，它的直径约为太阳与地球 距离的数十倍，也就是说，它的大小充其量相当于太阳系。从如 此小的区域内居然能够释放出相当于太阳 1000

3、 万倍的能量，从现 代物理学可知其唯一的可能就是黑洞。M82 星系中黑洞的质量 “黑洞”是根据广义相对论预言存在的天体，它凭着自身的 引力把空间中的一切“禁闭”起来。黑洞的大小若用质量相比较 的话，那么具有太阳质量的黑洞，其半径只有 3 公里。黑洞把一切 物质吸入，连光都不可能逸出。而 M82 星系中的黑洞却喷释出大量 能量，这的确是异乎寻常的。事实上，当物质被吸入黑洞的“地平线”下之前，黑洞极强的引力场引起了超高速运动，由此释放 出巨大能量。其原理与水力发电相似，在水力发电中，下落的势 能转化为电能。对黑洞来说，因引力下落的能量由于摩擦转变为 热能，并最终转变为光能。 事实上，对被称为“X

4、射线双星”的天体的观测表明，气体被 吸入黑洞后释放出的是光放射。黑洞是与中子星或是巨星构成彼 此绕转的双星，从巨星流出的气体在旋转着落入黑洞或中子星时 ，会放出大量 X 射线。在这种情况下黑洞具有太阳的质量，若具有 8 倍于太阳的质量，那便是超新星爆发后的残存物。中子星是仅由 中子构成的天体，比黑洞要大上数倍。 迄今为止已知的 X 射线双星系统最亮者达到太阳光度的 100 万 倍程度，M82 星系发现的 X 射线天体在此基础上又增高了 10 倍。由 此估计这个黑洞的质量约为太阳的 460 倍到最大为 1 亿倍。总之， 这个黑洞的质量很可能远远超过了太阳。这说明，在 M82 星系发现 的是待确认

5、的黑洞，而不单纯是超新星爆发后残存物。 M82 星系发现的待确认黑洞在研究宇宙中存在的巨大黑洞起源 的时候，具有极重大的意义。决定性的证据 近几年，有观测报告说在银河系中心似乎存在巨大黑洞，所 谓“巨大黑洞”是指质量超过太阳 100 万倍以上的黑洞。如果存在 巨大黑洞，那么在它周围的物质亦应当像绕太阳旋转的行星那样 ，遵循“开普勒行星运动三定律”，哈勃太空望远镜就在 NGC426 1、室女座 M84 星系、室女座 M87 星系等星系中心发现了高速旋转的 气体。 根据开普勒定律，气体的旋转速度应与其围绕天体的质量的 平方根成正比，与旋转半径的平方根成反比。如果能够确定旋转 速度和半径，就能求出那

6、个天体的质量，NGC4261 旋转半径为 300光年以内，质量约为太阳质量的 20 亿倍；M84 星系旋转半径为 30 光 年以内，质量约为太阳质量的 3 亿倍；M87 星系旋转半径为 15 光年 以内，质量约为太阳质量的 30 亿倍。计算结果应当说是令人吃惊 的！10 亿倍太阳质量的黑洞的半径大约为 10 天文单位，也就是 1 光 年的一万分之一。所以，哈勃太空望远镜的观测结果与黑洞的半 径相比较，还没有把握住黑洞的外侧。 1995 年，有关科学家与美国史密森尼安天文台合作，使用超 长基线电波干涉仪群观测猎犬座 NGC4258 星系的中心区域，发现在 NGC4258 星系中心仅 03 光年的

7、区域内，就存在相当太阳质量 360 0 万倍的质量，而且获得了迄今为止最精确的旋转速度。由此，星 系中心存在巨大黑洞的可能几乎转瞬间便具有了可能性。同年， 科学家们进行了对确认巨大黑洞具有决定意义的观测，证据是通 过日本的 X 射线天文卫星观测得到的，观测对象是名为“MCG6 3015”的一个活跃星系。观测结果表明，来自这个星系中心的 X 射线发生了“引力红移”，这是非黑洞无法解释的。 所谓“引力红移”是在强引力作用下，时间似乎变慢的可用 广义相对论解释的现象，在这种现象中光波长变长。这个现象被 确认其意义就相当于直接观测到黑洞。科学家从此得到了巨大黑 洞存在的强有力的证据。任何星系都存在巨大

8、黑洞 如果巨大黑洞只是存在于特定的星系的话，那么巨大黑洞可 能就是这种特定星系特殊演化的结果。但是最近的观测资料开始 表明大部分星系的中心都存在巨大黑洞。在宇宙中存在着在一种 在相当于星系大小一万分之一以下区域，却释放出 100 个星系具有 的能量的天体，这就是“类星体”。这是一种距离我们极其遥远 的天体，距离近者离地球也有 20 亿光年之遥。从 1962 年第一个类 星体被发现以来，这种天体的真实面目仍是待揭之谜。围绕类星 体巨大能量的来源，科学家提出了形形色色的理论和假说，而最 终具有生命力的是巨大黑洞之说。 斗转星移，1997 年，哈勃太空望远镜首次观测证实，类星体 处于星系的中心部位，

9、是星系的核心。在那里极有可能存在巨大 黑洞。但是此说难圆，迄今发现的类星体大约只有星系数目的百 分之一，仅仅以此为依据还不能认为任何星系都存在巨大黑洞。 随着周密观测的进行，科学家们始知以往了解的“塞弗特星 系”与类星体在光谱方面有种种类似。“塞弗特星系”的能量规 模比类星体要小得多。“塞弗特星系”有型与型之分，与类 星体光谱相似的为型。对“塞弗特星系”来说，除去其中心区 域的特殊类型，一般是漩涡星系和棒旋星系，比类星体的数目多 得多，达 10 倍以上。类星体和“塞弗特星系”总称为“活动星系 核”，科学家又进一步发现了“活动星系核”的“兄弟” “射电星系”和“活动星系”。最近，科学家在超过半数

10、的星系 中发现了衡量星系核心活动程度的“低电离状态发光区域”。 科学家认为，能够将活动星系核用巨大黑洞和旋转着被吸入 黑洞气体盘旋建立一个模型。根据这个模型，星系核活动性的差 别由黑洞的大小和单位时间被吸入黑洞的气体量决定。为了说明 多种星系核的活动性，巨大黑洞的质量必须达到太阳质量的 1000 万倍到 10 亿倍的程度。质量居中的新类型黑洞 如果我们认定几乎所有的星系中心都无一例外地存在巨大黑 洞的话，那么这种现象是如何形成的呢，对于这个问题科学家们 还没有掌握明确的答案，获得答案的关键也许就在尚待确认的 M8 2 星系中的黑洞。 通过光度变化发现的 M82 星系的待确认黑洞的最大质量大约是

11、 太阳质量的上亿倍。但是这其中存在一个令人不解的事实M8 2 星系的待确认黑洞不在星系的旋转中心，而在距旋转中心 400 光 年之遥的位置。如果它具有太阳 1 亿倍的质量，那么这个黑洞的引 力将占支配地位，它周围的一切都应当以黑洞为中心旋转，不能想象这个黑洞在围绕别的什么旋转。由此可知，这个黑洞并没有 那么巨大，它很可能是质量居中的新类型，是质量为太阳 100 倍到 100 万倍的中间质量黑洞。 科学家对 M82 星系进行了空前精确的观测，1999 年，美国航空 航天局的科学家发表了新的观测报告，他们获得的证据表明，一 个质量为太阳 100 倍到 1 万倍的黑洞在距星系中心约 1000 光年的

12、位 置旋转。他们在对 39 个星系观测中发现其中 21 个星系中有这种中 间质量的黑洞。如果事实果真如此，那么它将成为解开星系中心 巨大黑洞之谜的重要线索。巨大黑洞如何形成尚无定论 正如前面谈到的，科学家认为质量相当于太阳的黑洞是超新 星爆发的结果，但是对于巨大黑洞的起源，目前还没有定论。巨 大黑洞是怎样形成的呢？ 达到太阳质量 100 万倍的天体，其半径会凝缩至 001 光年以 下，成为一千万分之一光年大小的中间质量黑洞。在质量为太阳 100 万倍的天体中有“球状星团”。球状星团在宇宙中存在的天体 中密度之大异乎寻常，但是球状星团大小达数十光年，无论如何 不能成为黑洞。在球状星团中作为超新星

13、爆发的残存物存在质量 相当于太阳的黑洞。但是如此小的黑洞逐渐构成了双星，要演化 成一切都被吞并其中的中间质量黑洞，需要比宇宙年龄更长的时 间，所以球状星团今天依然固我。 在“星爆”里正以迅猛的速度生成着新的恒星，同时超新星 爆发也呈猛烈之势，结果质量相当太阳的黑洞理当比一般星系存 在得更多。那么这些黑洞吸聚周围气体逐步变大成为中间质量黑 洞，难道不存在中间质量黑洞彼此聚合成为巨大黑洞的可能吗？ 不过计算可知，即使用宇宙年龄同样时间来集聚气体，质量也不 过只能增加百分之几。黑洞合而为一的概率在球状星团的情况下 要低得多。解决疑问的关键何在 那么，巨大黑洞不会由小黑洞聚合而成，就没有突然形成中 间

14、质量黑洞的途径了吗？要存在这种可能关键之处在于是否能把 具有太阳质量 100 万倍的天体凝缩至 001 光年以下的空间。作为 一种可能性，美国哈佛大学的科学家提出了一种新的设想：在宇 宙诞生之初由大质量的天体产生了中间质量的黑洞。科学家们把 这个过程用计算机进行了模拟，结果显示，在宇宙诞生 30 万年时 ，大质量天体中发生了电离，大小凝缩至 001 光年以下。此时， 宇宙中清澈无比，光能够通行无阻。由此产生的黑洞质量约为太 阳的 10 万倍到 100 万倍，基本上是在与星系无关的空间形成的。 如此大小的黑洞与星系遭遇，在力学的摩擦效果作用下，黑 洞便落入星系的中心。如果落入星系中心的黑洞一年间

15、会附着一 个太阳质量的物质的话，1 亿年后就会拥有 1 亿倍以上太阳质量， 从而成为巨大黑洞。以类星体的能量来说，如此规模的质量附着 是必不可少的。但是这种模型也不能完全自圆其说。考虑到一般 的宇宙模型，以这种机理形成的黑洞的数目比星系的数目要少得 多。因此在理论上，形成巨大黑洞的确切过程应当说仍未明了， 所以具有中间质量、围绕星系中心旋转的 M82 星系黑洞，是非常耐 人寻味的。关键问题在于求出 M82 星系黑洞的准确质量，并搞清其 形成的过程。这些问题的解决对于揭开巨大黑洞之谜，具有决定 性的意义。巨大黑洞仍是待揭之谜 巨大黑洞的起源之谜直到今天仍包裹在重重迷雾之中，说不 清道不明。黑洞是

16、如何越变越大的，巨大黑洞又与星系的诞生和 演化具有怎样的关系，需要解释的疑问还多得很。1995 年，美国 夏威夷大学和密执安大学的几位科学家，在研究了巨大黑洞起源 的问题后，发表了非常有趣的分析结果。 他们将巨大黑洞的观测结果针对某一天体，把黑洞的质量与 星系“鼓包”进行了比较。所谓星系“鼓包”指的是处于星系中 心呈球状分布的古老恒星的集团。结果表明，这个比例大约是 10001，就算黑洞的质量有变化，但这个比例都没有明显变化。星 系“鼓包”在构造上与星系盘有所不同，椭圆星系几乎都是由“ 鼓包”构成的。 若美国科学家发现的关系具有普遍意义，黑洞的形成便很可 能与星系“鼓包”的形成有密切关系。星系“鼓包”是由星系形 成初期的“星爆”形成的 这一假说现在比较有说服力。巨大黑洞也与“星爆”有关吗 ？新类型的黑洞是在 M82 星系被发现的，而它也是“星爆”。 “星爆”、星系形成、星系“鼓包”、活动星系核，以及中 间质量黑洞和巨大黑洞，在这一系列组合之后，最终能够描绘出 的到底是什么呢？ 在星系中，仍然隐藏着许多的谜团。 根据近年的观测，人类所在的银河系的中央