星系和黑洞誕生的故事

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宇宙中幾乎每個星系的中心都有一個超大質量的黑洞。它們是如何形成的？這些超級「巨獸」與圍繞它旋轉的星系又有什麼關係呢？天文學家不斷發現探索奧秘，我們需要新的工具和技術來解開這些奧秘。但之後這些奧秘又會引出新的奧秘。比如，現代天文的一個重要發現——「類星體」。我們知道了它是什麼，但接下來的問題是它來自哪裡？讓我們先看看發現類星體的故事！

藝術效果圖展示了在中心黑洞作用下的CO-0.40-0.22氣體雲。Credit: Keio University

類星體

早在20世紀50年代，天文學家使用射電望遠鏡發現了宇宙深處的奇怪天體。它們非常明亮並異常遙遠——距離地球百萬光年甚至數十億光年。最初它們出現在射電頻譜上，後來天文學家在可見光譜中也發現了它們的蹤影。華裔天文學家丘宏義創造了「類星體」這個名稱。它們像星星一樣在遙遠的宇宙中發光，但它發出的射線甚至比整個星系都強。在此後的幾十年，天文學家終於明白了類星體其實就是黑洞，猛烈吞噬著周圍物質，並發射出巨大的能量，以至於在數十億光年遠的我們都能觀測到它。但它並不是由恆星演化而來的黑洞，它們是超大質量黑洞，它們的質量可以達到太陽質量的百萬甚至數十億倍。20世紀70年代，天文學家認為在包括銀河系在內的許多星系的核心地帶都有可能存在超大質量黑洞。

漩渦星系(M51,NGC5194)，位於獵犬座的一個典型的螺旋星系，旁邊是NGC5195。Credit: NASA/ESA

超大質量黑洞

1974年，天文學家在銀河系的中心發現一個射電源，我們將它命名為人馬座A*，星號表示驚嘆。根據它的發射情況，這個黑洞並不處於活躍的時期，但它的過去或是將來還是可能像「類星體」一樣。天文學家嘗試使用紅外波段來觀測它，因為這一波段容易穿透氣體和塵埃。他們發現一群星在圍繞人馬座A*運動，就像彗星圍繞太陽那樣。只有當這個黑洞擁有百萬倍太陽的質量，它的引力錨定作用才能形成這樣奇怪的軌跡。

後來天文學家在仙女座星系的中心同樣發現了超大質量黑洞。事實上，幾乎所有的星系中心都有這樣的超大質量黑洞。但是，它們是如何形成的？它們來自哪裡？是星系形成在先，然後在中央形成了黑洞？還是先形成了黑洞，然後才有了圍繞它運動的星系？

兩個星系演化模型

直到最近，這個問題都一直困擾這天文學家。我們進行了大量科學研究，使用了越來越靈敏的天文台，現在我們終於積累了一些依據可以幫助我們解答這一奧秘。天文學家已經建立了兩種模型來解釋宇宙的大尺度結構。一個是自上而下的模型，一個是自下而上的模型。

自上而下的模型

在自上而下模型中，整個超星系團都是同時在宇宙大爆炸後由殘餘的原始氫雲形成的。這些原始氫雲一開始作為一個整體局部聚集，開始旋轉，並形成一些較小的螺旋星系和矮星系，之後它們還會合併，形成我們現在的複雜結構。超大質量黑洞是由星系緻密核心聚集形成的。如果想要了解我們的太陽以及其他恆星是如何孕育而生的。可以想像一個聚集的氣體和塵埃雲演化成恆星系統，隨著時間推移，恆星逐漸成熟並漸漸彼此分離。這就是自上而下的分解模型。

哈勃望遠鏡展示的M54，一個位於人馬座矮星系的球狀星團。Credit: ESA/Hubble & NASA

自下而上的模型

在自下而上的模型中，氣體和塵埃逐漸聚集，質量越來越大，形成矮星系、星系團甚至超星系團。星系中央的超大質量黑洞是萬世以來黑洞不斷碰撞聚集產生的。事實上，天文學家也是如此來思考產生行星的機制。塵埃引力作用在不斷聚集成更大顆粒，幾百年後直至形成行星。這一模型就是由小聚大的過程。在宇宙大爆炸後的不久，整個宇宙異常緻密，但不是所有的地方一樣緻密。微小的量子漲落開始演化，在數十億年膨脹後成為我們宇宙目前的超大尺度超星系團結構。

星系碰撞會使核心的超大質量黑洞合併

Credit: NASA

哪個模型正確

早期宇宙有很多微小的密度變化，這些變化會成為今日宇宙數億光年的結構變化。設想一下，在宇宙碰撞中作用的兩個力：一個是物質之間的引力；一個是反向的宇宙膨脹的力。星系、星系團和超星系團的大小由這兩種力量的平衡點決定。當天文學家以最大尺度觀測宇宙，他們觀測到星系團和超星系團，這些結構貌似支持自上而下的分解模型。當宇宙大爆炸後的幾億年，第一代的恆星形成，這又符合自下而上的聚集模型。

那是否兩種模型都在發揮作用？答案並非如此。現代觀測結果傾向於自下而上的過程。關鍵的原因是引力以光速運動，大爆炸後超光速膨脹，意味著散開的微粒很難大規模聚集。換言之，我們不會先有一個超星系團，更現實的是先形成一個恆星。但最初代的恆星由氫和氦構成，質量上它們上大於現在的恆星。它們的壽命較短，以超新星爆發終結，形成恆星型黑洞。初期的原星系內部在聚集，包括初期的黑洞以及周圍的恆星。經過百萬年甚至數十億年，黑洞不斷發生著碰撞合併，積累了超過太陽百萬倍甚至數十億倍的質量，形成了現在的星系。

超大質量恆星的結局示意圖，超新星爆發後黑洞形成。

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

最新的觀測結果支持上述推論。天文學家在一些小型星系中央發現超大質量黑洞。比如我們的銀河系，中心的黑洞質量是太陽的410萬倍，僅僅是銀河系整體質量的0.01%。但美國猶他大學的天文學家發現兩個更小的星系，它們的中心黑洞質量分別是440萬倍和580萬倍，質量分別占它們星系的13%和18%。比較合理的解釋是：它們都經歷了星系的碰撞和黑洞合併，但部分恆星被剝離。這些早期合併事件的倖存者成為我們推斷的證據。

我們越來越接近解開這一奧秘的大門，星系的形成應該是自下而上的聚集過程，早期的恆星到原星系，恆星的超新星爆發形成早期恆星型黑洞。現在宇宙的結構包括星系中心的超大質量黑洞，是百億年來形成、毀滅、合併不斷作用的結果。

專欄打賞

天文藝術品

Credit: NASA

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