星系和黑洞诞生的故事

摘要: 宇宙中鸡和蛋的故事

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宇宙中几乎每个星系的中心都有一个超大质量的黑洞。它们是如何形成的?这些超级“巨兽”与围绕它旋转的星系又有什么关系呢?天文学家不断发现探索奥秘,我们需要新的工具和技术来解开这些奥秘。但之后这些奥秘又会引出新的奥秘。比如,现代天文的一个重要发现——“类星体”。我们知道了它是什么,但接下来的问题是它来自哪里?让我们先看看发现类星体的故事!

艺术效果图展示了在中心黑洞作用下的CO-0.40-0.22气体云。Credit: Keio University

类星体

早在20世纪50年代,天文学家使用射电望远镜发现了宇宙深处的奇怪天体。它们非常明亮并异常遥远——距离地球百万光年甚至数十亿光年。最初它们出现在射电频谱上,后来天文学家在可见光谱中也发现了它们的踪影。华裔天文学家丘宏义创造了“类星体”这个名称。它们像星星一样在遥远的宇宙中发光,但它发出的射线甚至比整个星系都强。在此后的几十年,天文学家终于明白了类星体其实就是黑洞,猛烈吞噬着周围物质,并发射出巨大的能量,以至于在数十亿光年远的我们都能观测到它。但它并不是由恒星演化而来的黑洞,它们是超大质量黑洞,它们的质量可以达到太阳质量的百万甚至数十亿倍。20世纪70年代,天文学家认为在包括银河系在内的许多星系的核心地带都有可能存在超大质量黑洞。

漩涡星系(M51,NGC5194),位于猎犬座的一个典型的螺旋星系,旁边是NGC5195。Credit: NASA/ESA

超大质量黑洞

1974年,天文学家在银河系的中心发现一个射电源,我们将它命名为人马座A*,星号表示惊叹。根据它的发射情况,这个黑洞并不处于活跃的时期,但它的过去或是将来还是可能像“类星体”一样。天文学家尝试使用红外波段来观测它,因为这一波段容易穿透气体和尘埃。他们发现一群星在围绕人马座A*运动,就像彗星围绕太阳那样。只有当这个黑洞拥有百万倍太阳的质量,它的引力锚定作用才能形成这样奇怪的轨迹。

后来天文学家在仙女座星系的中心同样发现了超大质量黑洞。事实上,几乎所有的星系中心都有这样的超大质量黑洞。但是,它们是如何形成的?它们来自哪里?是星系形成在先,然后在中央形成了黑洞?还是先形成了黑洞,然后才有了围绕它运动的星系?

两个星系演化模型

直到最近,这个问题都一直困扰这天文学家。我们进行了大量科学研究,使用了越来越灵敏的天文台,现在我们终于积累了一些依据可以帮助我们解答这一奥秘。天文学家已经建立了两种模型来解释宇宙的大尺度结构。一个是自上而下的模型,一个是自下而上的模型。

  • 自上而下的模型

在自上而下模型中,整个超星系团都是同时在宇宙大爆炸后由残余的原始氢云形成的。这些原始氢云一开始作为一个整体局部聚集,开始旋转,并形成一些较小的螺旋星系和矮星系,之后它们还会合并,形成我们现在的复杂结构。超大质量黑洞是由星系致密核心聚集形成的。如果想要了解我们的太阳以及其他恒星是如何孕育而生的。可以想象一个聚集的气体和尘埃云演化成恒星系统,随着时间推移,恒星逐渐成熟并渐渐彼此分离。这就是自上而下的分解模型。

哈勃望远镜展示的M54,一个位于人马座矮星系的球状星团。Credit: ESA/Hubble & NASA

  • 自下而上的模型

在自下而上的模型中,气体和尘埃逐渐聚集,质量越来越大,形成矮星系、星系团甚至超星系团。星系中央的超大质量黑洞是万世以来黑洞不断碰撞聚集产生的。事实上,天文学家也是如此来思考产生行星的机制。尘埃引力作用在不断聚集成更大颗粒,几百年后直至形成行星。这一模型就是由小聚大的过程。在宇宙大爆炸后的不久,整个宇宙异常致密,但不是所有的地方一样致密。微小的量子涨落开始演化,在数十亿年膨胀后成为我们宇宙目前的超大尺度超星系团结构。

星系碰撞会使核心的超大质量黑洞合并

Credit: NASA

哪个模型正确

早期宇宙有很多微小的密度变化,这些变化会成为今日宇宙数亿光年的结构变化。设想一下,在宇宙碰撞中作用的两个力:一个是物质之间的引力;一个是反向的宇宙膨胀的力。星系、星系团和超星系团的大小由这两种力量的平衡点决定。当天文学家以最大尺度观测宇宙,他们观测到星系团和超星系团,这些结构貌似支持自上而下的分解模型。当宇宙大爆炸后的几亿年,第一代的恒星形成,这又符合自下而上的聚集模型。

那是否两种模型都在发挥作用?答案并非如此。现代观测结果倾向于自下而上的过程。关键的原因是引力以光速运动,大爆炸后超光速膨胀,意味着散开的微粒很难大规模聚集。换言之,我们不会先有一个超星系团,更现实的是先形成一个恒星。但最初代的恒星由氢和氦构成,质量上它们上大于现在的恒星。它们的寿命较短,以超新星爆发终结,形成恒星型黑洞。初期的原星系内部在聚集,包括初期的黑洞以及周围的恒星。经过百万年甚至数十亿年,黑洞不断发生着碰撞合并,积累了超过太阳百万倍甚至数十亿倍的质量,形成了现在的星系。

超大质量恒星的结局示意图,超新星爆发后黑洞形成。

Credit: NASA/ESA/P. Jeffries (STScI)

最新的观测结果支持上述推论。天文学家在一些小型星系中央发现超大质量黑洞。比如我们的银河系,中心的黑洞质量是太阳的410万倍,仅仅是银河系整体质量的0.01%。但美国犹他大学的天文学家发现两个更小的星系,它们的中心黑洞质量分别是440万倍和580万倍,质量分别占它们星系的13%和18%。比较合理的解释是:它们都经历了星系的碰撞和黑洞合并,但部分恒星被剥离。这些早期合并事件的幸存者成为我们推断的证据。

我们越来越接近解开这一奥秘的大门,星系的形成应该是自下而上的聚集过程,早期的恒星到原星系,恒星的超新星爆发形成早期恒星型黑洞。现在宇宙的结构包括星系中心的超大质量黑洞,是百亿年来形成、毁灭、合并不断作用的结果。

作者:Fraser Cain,源自www.universetoday.com

    翻译:毛明远  |  校对:李可为

    编排:毛明远  |  配乐:解仁江

责任编辑:解仁江

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Credit: NASA

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