在北斗七星的旁邊，大熊座的“熊頭”附近，有一個(gè)形狀不倫不類(lèi)的M82星系。直徑達1200萬(wàn)光年的M82星系，有一條黑色縫隙橫貫其中，所以它得到了一個(gè)“破裂星系”的綽號。這條黑色縫隙實(shí)際上是一個(gè)由混雜塵埃的氣體構成的，而M82星系本身是一個(gè)標準的“透鏡”型星系。M82星系具有顯著(zhù)的特征，其中心部位以超過(guò)別的星系數千倍的速度誕生著(zhù)新的恒星。最近在被稱(chēng)為“星爆”的M82星系中，天文學(xué)家發(fā)現了奇異的天體。釋放千倍于太陽(yáng)的能量。
1997年，日本京都大學(xué)的一個(gè)研究小組使用X射線(xiàn)觀(guān)測衛星發(fā)現M82星系內的一個(gè)天體，從非常有限的空間發(fā)出大量X射線(xiàn)，這個(gè)天體主要放射3000電子伏特的高能X射線(xiàn)，其光度達到太陽(yáng)全部光度的千萬(wàn)倍。
為了搞清這個(gè)天體的真實(shí)面目，科學(xué)家立即著(zhù)手進(jìn)行了反復達9次的觀(guān)測，對可信數據的分析結果表明，這個(gè)天體在短短幾天的時(shí)間里，其光度就發(fā)生了幾倍的變化。這個(gè)天體光度的變化情況被美國麻省理工學(xué)院和內華達大學(xué)的科學(xué)家于1999年同時(shí)觀(guān)測到。它的光度變化的直接原因目前還無(wú)法確定，但是卻為科學(xué)家了解這一奇異天體的本來(lái)面目，提供了極其珍貴的數據，因為根據這些數據能夠算出這個(gè)天體的大小，它的直徑約為太陽(yáng)與地球距離的數十倍，也就是說(shuō)，它的大小充其量相當于太陽(yáng)系。從如此小的區域內居然能夠釋放出相當于太陽(yáng)1000萬(wàn)倍的能量，從現代物理學(xué)可知其唯一的可能就是黑洞。M82星系中黑洞的質(zhì)量。
“黑洞”是根據廣義相對論預言存在的天體，它憑著(zhù)自身的引力把空間中的一切“禁閉”起來(lái)。黑洞的大小若用質(zhì)量相比較的話(huà)，那么具有太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，其半徑只有3公里。黑洞把一切物質(zhì)吸入，連光都不可能逸出。而M82星系中的黑洞卻噴釋出大量能量，這的確是異乎尋常的。事實(shí)上，當物質(zhì)被吸入黑洞的“地平線(xiàn)”下之前，黑洞極強的引力場(chǎng)引起了超高速運動(dòng)，由此釋放出巨大能量。其原理與水力發(fā)電相似，在水力發(fā)電中，下落的勢能轉化為電能。對黑洞來(lái)說(shuō)，因引力下落的能量由于摩擦轉變?yōu)闊崮?，并最終轉變?yōu)楣饽堋?
事實(shí)上，對被稱(chēng)為“X射線(xiàn)雙星”的天體的觀(guān)測表明，氣體被吸入黑洞后釋放出的是光放射。黑洞是與中子星或是巨星構成彼此繞轉的雙星，從巨星流出的氣體在旋轉著(zhù)落入黑洞或中子星時(shí)，會(huì )放出大量X射線(xiàn)。在這種情況下黑洞具有太陽(yáng)的質(zhì)量，若具有8倍于太陽(yáng)的質(zhì)量，那便是超新星爆發(fā)后的殘存物。中子星是僅由中子構成的天體，比黑洞要大上數倍。
迄今為止已知的X射線(xiàn)雙星系統最亮者達到太陽(yáng)光度的100萬(wàn)倍程度，M82星系發(fā)現的X射線(xiàn)天體在此基礎上又增高了10倍。由此估計這個(gè)黑洞的質(zhì)量約為太陽(yáng)的460倍到最大為1億倍?？傊?，這個(gè)黑洞的質(zhì)量很可能遠遠超過(guò)了太陽(yáng)。這說(shuō)明，在M82星系發(fā)現的是待確認的黑洞，而不單純是超新星爆發(fā)后殘存物。
M82星系發(fā)現的待確認黑洞在研究宇宙中存在的巨大黑洞起源的時(shí)候，具有極重大的意義。決定性的證據
近幾年，有觀(guān)測報告說(shuō)在銀河系中心似乎存在巨大黑洞，所謂“巨大黑洞”是指質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)100萬(wàn)倍以上的黑洞。如果存在巨大黑洞，那么在它周?chē)奈镔|(zhì)亦應當像繞太陽(yáng)旋轉的行星那樣，遵循“開(kāi)普勒行星運動(dòng)三定律”，哈勃太空望遠鏡就在NGC4261、室女座M84星系、室女座M87星系等星系中心發(fā)現了高速旋轉的氣體。
根據開(kāi)普勒定律，氣體的旋轉速度應與其圍繞天體的質(zhì)量的平方根成正比，與旋轉半徑的平方根成反比。如果能夠確定旋轉速度和半徑，就能求出那個(gè)天體的質(zhì)量，NGC4261旋轉半徑為300光年以?xún)?，質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的20億倍；M84星系旋轉半徑為30光年以?xún)?，質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的3億倍；M87星系旋轉半徑為15光年以?xún)?，質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的30億倍。計算結果應當說(shuō)是令人吃驚的！10億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的半徑大約為10天文單位，也就是1光年的一萬(wàn)分之一。所以，哈勃太空望遠鏡的觀(guān)測結果與黑洞的半徑相比較，還沒(méi)有把握住黑洞的外側。
1995年，有關(guān)科學(xué)家與美國史密森尼安天文臺合作，使用超長(cháng)基線(xiàn)電波干涉儀群觀(guān)測獵犬座NGC4258星系的中心區域，發(fā)現在NGC4258星系中心僅0．3光年的區域內，就存在相當太陽(yáng)質(zhì)量3600萬(wàn)倍的質(zhì)量，而且獲得了迄今為止最精確的旋轉速度。由此，星系中心存在巨大黑洞的可能幾乎轉瞬間便具有了可能性。同年，科學(xué)家們進(jìn)行了對確認巨大黑洞具有決定意義的觀(guān)測，證據是通過(guò)日本的X射線(xiàn)天文衛星觀(guān)測得到的，觀(guān)測對象是名為“MCG—6—30—15”的一個(gè)活躍星系。觀(guān)測結果表明，來(lái)自這個(gè)星系中心的X射線(xiàn)發(fā)生了“引力紅移”，這是非黑洞無(wú)法解釋的。
所謂“引力紅移”是在強引力作用下，時(shí)間似乎變慢的可用廣義相對論解釋的現象，在這種現象中光波長(cháng)變長(cháng)。這個(gè)現象被確認其意義就相當于直接觀(guān)測到黑洞?？茖W(xué)家從此得到了巨大黑洞存在的強有力的證據。任何星系都存在巨大黑洞。
如果巨大黑洞只是存在于特定的星系的話(huà)，那么巨大黑洞可能就是這種特定星系特殊演化的結果。但是最近的觀(guān)測資料開(kāi)始表明大部分星系的中心都存在巨大黑洞。在宇宙中存在著(zhù)在一種在相當于星系大小一萬(wàn)分之一以下區域，卻釋放出100個(gè)星系具有的能量的天體，這就是“類(lèi)星體”。這是一種距離我們極其遙遠的天體，距離近者離地球也有20億光年之遙。從1962年第一個(gè)類(lèi)星體被發(fā)現以來(lái)，這種天體的真實(shí)面目仍是待揭之謎。圍繞類(lèi)星體巨大能量的來(lái)源，科學(xué)家提出了形形色色的理論和假說(shuō)，而最終具有生命力的是巨大黑洞之說(shuō)。
斗轉星移，1997年，哈勃太空望遠鏡首次觀(guān)測證實(shí)，類(lèi)星體處于星系的中心部位，是星系的核心。在那里極有可能存在巨大黑洞。但是此說(shuō)難圓，迄今發(fā)現的類(lèi)星體大約只有星系數目的百分之一，僅僅以此為依據還不能認為任何星系都存在巨大黑洞。
隨著(zhù)周密觀(guān)測的進(jìn)行，科學(xué)家們始知以往了解的“塞弗特星系”與類(lèi)星體在光譜方面有種種類(lèi)似。“塞弗特星系”的能量規模比類(lèi)星體要小得多。“塞弗特星系”有Ⅰ型與Ⅱ型之分，與類(lèi)星體光譜相似的為Ⅰ型。對“塞弗特星系”來(lái)說(shuō)，除去其中心區域的特殊類(lèi)型，一般是漩渦星系和棒旋星系，比類(lèi)星體的數目多得多，達10倍以上。類(lèi)星體和“塞弗特星系”總稱(chēng)為“活動(dòng)星系核”，科學(xué)家又進(jìn)一步發(fā)現了“活動(dòng)星系核”的“兄弟”———“射電星系”和“活動(dòng)星系”。最近，科學(xué)家在超過(guò)半數的星系中發(fā)現了衡量星系核心活動(dòng)程度的“低電離狀態(tài)發(fā)光區域”。
科學(xué)家認為，能夠將活動(dòng)星系核用巨大黑洞和旋轉著(zhù)被吸入黑洞氣體盤(pán)旋建立一個(gè)模型。根據這個(gè)模型，星系核活動(dòng)性的差別由黑洞的大小和單位時(shí)間被吸入黑洞的氣體量決定。為了說(shuō)明多種星系核的活動(dòng)性，巨大黑洞的質(zhì)量必須達到太陽(yáng)質(zhì)量的1000萬(wàn)倍到10億倍的程度。質(zhì)量居中的新類(lèi)型黑洞。
如果我們認定幾乎所有的星系中心都無(wú)一例外地存在巨大黑洞的話(huà)，那么這種現象是如何形成的呢，對于這個(gè)問(wèn)題科學(xué)家們還沒(méi)有掌握明確的答案，獲得答案的關(guān)鍵也許就在尚待確認的M82星系中的黑洞。
通過(guò)光度變化發(fā)現的M82星系的待確認黑洞的最大質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的上億倍。但是這其中存在一個(gè)令人不解的事實(shí)──M82星系的待確認黑洞不在星系的旋轉中心，而在距旋轉中心400光年之遙的位置。如果它具有太陽(yáng)1億倍的質(zhì)量，那么這個(gè)黑洞的引力將占支配地位，它周?chē)囊磺卸紤斠院诙礊橹行男D，不能想象這個(gè)黑洞在圍繞別的什么旋轉。由此可知，這個(gè)黑洞并沒(méi)有那么巨大，它很可能是質(zhì)量居中的新類(lèi)型，是質(zhì)量為太陽(yáng)100倍到100萬(wàn)倍的中間質(zhì)量黑洞。
科學(xué)家對M82星系進(jìn)行了空前精確的觀(guān)測，1999年，美國航空航天局的科學(xué)家發(fā)表了新的觀(guān)測報告，他們獲得的證據表明，一個(gè)質(zhì)量為太陽(yáng)100倍到1萬(wàn)倍的黑洞在距星系中心約1000光年的位置旋轉。他們在對39個(gè)星系觀(guān)測中發(fā)現其中21個(gè)星系中有這種中間質(zhì)量的黑洞。如果事實(shí)果真如此，那么它將成為解開(kāi)星系中心巨大黑洞之謎的重要線(xiàn)索。巨大黑洞如何形成尚無(wú)定論。
正如前面談到的，科學(xué)家認為質(zhì)量相當于太陽(yáng)的黑洞是超新星爆發(fā)的結果，但是對于巨大黑洞的起源，目前還沒(méi)有定論。巨大黑洞是怎樣形成的呢？
達到太陽(yáng)質(zhì)量100萬(wàn)倍的天體，其半徑會(huì )凝縮至0．01光年以下，成為一千萬(wàn)分之一光年大小的中間質(zhì)量黑洞。在質(zhì)量為太陽(yáng)100萬(wàn)倍的天體中有“球狀星團”。球狀星團在宇宙中存在的天體中密度之大異乎尋常，但是球狀星團大小達數十光年，無(wú)論如何不能成為黑洞。在球狀星團中作為超新星爆發(fā)的殘存物存在質(zhì)量相當于太陽(yáng)的黑洞。但是如此小的黑洞逐漸構成了雙星，要演化成一切都被吞并其中的中間質(zhì)量黑洞，需要比宇宙年齡更長(cháng)的時(shí)間，所以球狀星團今天依然固我。
在“星爆”里正以迅猛的速度生成著(zhù)新的恒星，同時(shí)超新星爆發(fā)也呈猛烈之勢，結果質(zhì)量相當太陽(yáng)的黑洞理當比一般星系存在得更多。那么這些黑洞吸聚周?chē)鷼怏w逐步變大成為中間質(zhì)量黑洞，難道不存在中間質(zhì)量黑洞彼此聚合成為巨大黑洞的可能嗎？不過(guò)計算可知，即使用宇宙年齡同樣時(shí)間來(lái)集聚氣體，質(zhì)量也不過(guò)只能增加百分之幾。黑洞合而為一的概率在球狀星團的情況下要低得多。解決疑問(wèn)的關(guān)鍵何在？
那么，巨大黑洞不會(huì )由小黑洞聚合而成，就沒(méi)有突然形成中間質(zhì)量黑洞的途徑了嗎？要存在這種可能關(guān)鍵之處在于是否能把具有太陽(yáng)質(zhì)量100萬(wàn)倍的天體凝縮至0．01光年以下的空間。作為一種可能性，美國哈佛大學(xué)的科學(xué)家提出了一種新的設想：在宇宙誕生之初由大質(zhì)量的天體產(chǎn)生了中間質(zhì)量的黑洞?？茖W(xué)家們把這個(gè)過(guò)程用計算機進(jìn)行了模擬，結果顯示，在宇宙誕生30萬(wàn)年時(shí)，大質(zhì)量天體中發(fā)生了電離，大小凝縮至0．01光年以下。此時(shí)，宇宙中清澈無(wú)比，光能夠通行無(wú)阻。由此產(chǎn)生的黑洞質(zhì)量約為太陽(yáng)的10萬(wàn)倍到100萬(wàn)倍，基本上是在與星系無(wú)關(guān)的空間形成的。
如此大小的黑洞與星系遭遇，在力學(xué)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間會(huì )附著(zhù)一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)的話(huà)，1億年后就會(huì )擁有1億倍以上太陽(yáng)質(zhì)量，從而成為巨大黑洞。以類(lèi)星體的能量來(lái)說(shuō)，如此規模的質(zhì)量附著(zhù)是必不可少的。但是這種模型也不能完全自圓其說(shuō)?？紤]到一般的宇宙模型，以這種機理形成的黑洞的數目比星系的數目要少得多。因此在理論上，形成巨大黑洞的確切過(guò)程應當說(shuō)仍未明了，所以具有中間質(zhì)量、圍繞星系中心旋轉的M82星系黑洞，是非常耐人尋味的。關(guān)鍵問(wèn)題在于求出M82星系黑洞的準確質(zhì)量，并搞清其形成的過(guò)程。這些問(wèn)題的解決對于揭開(kāi)巨大黑洞之謎，具有決定性的意義。巨大黑洞仍是待揭之謎。
巨大黑洞的起源之謎直到今天仍包裹在重重迷霧之中，說(shuō)不清道不明。黑洞是如何越變越大的，巨大黑洞又與星系的誕生和演化具有怎樣的關(guān)系，需要解釋的疑問(wèn)還多得很。1995年，美國夏威夷大學(xué)和密執安大學(xué)的幾位科學(xué)家，在研究了巨大黑洞起源的問(wèn)題后，發(fā)表了非常有趣的分析結果。
他們將巨大黑洞的觀(guān)測結果針對某一天體，把黑洞的質(zhì)量與星系“鼓包”進(jìn)行了比較。所謂星系“鼓包”指的是處于星系中心呈球狀分布的古老恒星的集團。結果表明，這個(gè)比例大約是1000∶1，就算黑洞的質(zhì)量有變化，但這個(gè)比例都沒(méi)有明顯變化。星系“鼓包”在構造上與星系盤(pán)有所不同，橢圓星系幾乎都是由“鼓包”構成的。
若美國科學(xué)家發(fā)現的關(guān)系具有普遍意義，黑洞的形成便很可能與星系“鼓包”的形成有密切關(guān)系。星系“鼓包”是由星系形成初期的“星爆”形成的———
這一假說(shuō)現在比較有說(shuō)服力。巨大黑洞也與“星爆”有關(guān)嗎？新類(lèi)型的黑洞是在M82星系被發(fā)現的，而它也是“星爆”。
“星爆”、星系形成、星系“鼓包”、活動(dòng)星系核，以及中間質(zhì)量黑洞和巨大黑洞，在這一系列組合之后，最終能夠描繪出的到底是什么呢？
在星系中，仍然隱藏著(zhù)許多的謎團。
根據近年的觀(guān)測，人類(lèi)所在的銀河系的中央具有棒狀構造，所以銀河系也可能是一個(gè)棒旋星系。
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