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黑洞-第22部分
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有10个球状星团还是X射线源，与球状星团包含的恒星总数相比，这就是一个相当大的比率。银河系里已知的明亮X射线源总共约有50个。银河系的总质量是1000亿Mop 而所有球状星团的总质量只占其中的1／2000。如果球状星团里X射线源的数量与恒星数量之比与银河系中一样，那么在任何一个球状星团中都难以找到一个X射线源，而事实上却有10个，这表明球状星团是很有利于产生X射线源的场所。X射线源通常联系着能捕获周围气体并加热到开氏几百万度的致密星，一个质量为1000M的黑洞当然也可以吸取其周围恒星所丧失的气体并使之发出X射线。
但是，实际情况并不像乍看之下那样有利于黑洞。最近的观测和理论进展倾向于否定球状星团中大黑洞的存在，理由如下：如果球状星团的动力学演化总是以大黑洞的形成为终结，那么就应该有许多球状星团有中心光度峰，然而这种峰只在少数几个星团中被观测到。于是就必定有一种机制能够打断星团核心的引力坍缩，使之稳定在一个“正常”尺度上，这就是双星系统的形成。
这是一个很自然的解释，但我们还必须等待大型计算机的复杂数值计算，以证实小空间内许多恒星的相遇的确有刮于双星系统的形成。按照天体力学，一旦球状星团中心有一个大质量双星系统形成，任何一个太靠近该系统的恒星就会被引力反冲抛射到远处，这就是“强求的”双星系统的形成能够中断星团核心收缩的基本道理。许多球状星团也是X射线源这一事实是双星存在的另一证据。由于球状星团的X射线源并不比星系盘上的源亮很多，也的确没有理由再去引入有别于密近双星系统里中子星或黑洞吸积气体的机制（见第16章）。此外，球状星团的源常是X射线暴，爆发一般持续数秒钟，这种现象通常也归因于有伴星共存的致密星。
最后，提高了分辨率的X射线探测器已经查明，球状星团X射线源的位置与星团中心稍有偏离，而一个大黑洞会支配星团核心区域恒星的运动，因而就该占据星团的中心位置。
所以，球状星团中心大黑洞的假设最近已“声名扫地”。但是，在银河系的几百个、在巨大椭圆星系梅西叶87的匕0皿个球状星团里，质量足够大的团产生出中心黑洞的可能性是不能排除的。
人马座的银心黑洞
银河系的动力学中心是在人马座方向，但被大量的气体和尘埃云所遮掩。那里发射的可见光波段的光子，每1
亿个中才有1个能在经历3万光年的行程后到达地球，在这种情况下，传统的望远镜是没有什么大用处的。对天文学家来说幸运的是，电磁辐射有宽广的谱，从射电波直到伽玛射线。这个谱中的射电、红外和X射线辐射不受尘埃云影响，所以银河系中心可以用射电望远镜和卫星来研究。
银心的直径是30光年，其“热”光度（即所有波长辐射贡献的总和）是太阳光度的1000万倍，那里有两个射电源。一个是人马座A东，具备超新星遗迹的所有特征；另一个是人马座A西，是两种类型的射电辐射的复合：一种是热气体云的自然“热”辐射，另一种则来自人马座A西的中心，不是热辐射，而是速度接近光速的电子产生的所谓同步辐射（见下文“五点特征”一节）。
这个“非热”射电源被称为人马座A，是银河系里最强的射电源，其光度10倍于太阳的光学光度，然而最引人注意的还是它的致密性：辐射是来自一个尺度小于30亿公里的小区域，这个尺度与土星的轨道或红巨星的直径相当。在这样小的范围内不可能放进一个星团，因而射电辐射是来自单一的源。只有很少几种源能发射射电波，即脉冲星、超新星遗迹、双星X射线源以及大质量黑洞，不妨逐一予以考查。
不可能是脉冲星，因为已知最明亮的脉冲星的光度也比人马座A＊小1万倍，况且来自银心的射电辐射从未有过脉冲，而且非常稳定。
也不可能是双星X射线源。这种源在所有波长上的辐射都有振荡，其平均射电光度比人马座A＊小10万倍，即使爆发时的峰值也只及后者的十分之一。而且，一方面人马座A＊的射电光度相对于密近双星系统而言过强，另一方面其X射线光度相对说来又太弱。
爆发不久的超新星遗迹可以是强射电源，但这种解释的困难在于，膨胀速度将远大于人马座A＊15公里／秒的观测值。
人马座A＊不可能只有通常恒星那样的质量。假如是那样，该射电源就会具有银心区域恒星的典型速度，即150公里／秒，于是该源就会表现出在天球上的缓慢运动，然而从未被观测到。相反，观测证实该源是静止在银河系中心，因而其质量必定大于恒星。所以，一个质量为数百万MW处在缓慢吸积状态的黑洞，才是唯一能与所有射电天文观测相吻合的模型。现在，这个模型必须由对银心另一个“窗口”的观测来检验，这就是红外观测。
红外天文学是随着由IRAS（红外天文卫星）等卫星携带的精密探测器的升空而开始的，迄今不过数年历史。已经发现，人马座A＊的致密射电源位置与一个被称为IRS 16的红外源几乎完全重合。这个红外源非常致密，银心30光年区域的总光度可能几乎都由它贡献，它也加热和照亮人马座A西的气体，那么它的本质是什么呢？
恒星处于红巨星阶段时是很强的红外辐射源。通过测量IRSI6的红外辐射流，是可能追溯出作为辐射源的红巨星的。再假定一个“正常”的红巨星比率，就可以推出IRS16中的恒星分布。用这个方法得出，必定有200万颗恒星在半径为5光年的范围内运动，这是极高的恒星密度，比球状星团里的还要高1000倍。
但是，红巨星并不是唯一的红外辐射源。光谱测量显示，围绕IRS 16的轨道上的气体云被加热到了开氏300度，也发出红外辐射。如果红巨星能被用来推测恒星密度，那么气体云的运动就能指示出IRSI6的总质量这个重要信息。这里作了一个简单假设，即气体是在引力作用下作圆周运动。于是，由多普勒频移计算出来的云的轨道运动速度就提供了对中心质量的直接量度，这样得到的结果是在500万到800万Mpe间。既然这个区域里恒星的总质量只有200万MC那就必定有300万到600万M的看不见的质量。银心巨型黑洞的模型因而得到红外天文学的强有力支持（另外，已探测到的X射线和伽玛射线辐射也表明致密源的存在人最后还应该考虑一下X射线区域。1990年发射的法国一前苏联卫星西格玛是把银心作为首要目标的。第一个意外是发现了一个强大的X射线源，但其位置并不与人马座A＊或IRS16重合，而是至少相距300光年。与已经被说得太多的相反，这个发现根本不与大黑洞的存在相抵触，因为黑洞若不吸积，也就不会发出高能辐射。如第16章中所述，西格玛所探测到的X射线源可能是一个黑洞，但却是一个双星系统中的恒星级黑洞。
现在许多天体物理学家都同意银心由三重结构组成。首先是一个“暖”气体盘，它还有一个延伸到距中心5至30光年的“冕”，冕中聚集着许多物质团块，这个盘的内边缘被中心辐射源强烈地加热。第H是在冕以内的一个半径为5光年的腔中有总质量为200万M回的恒星组成的非常致密的星团。最后，在中心是一个质量在300万到600万Mgh间的、缓慢吸积着的黑洞（也有不无道理的争议，说是气体云的运动可能不是圆周的，甚至也不是由引力支配的，而是在中心星辐射压推动下的喷射。在这个假设下300的中动质量就足以解释云的观测速度）。
还要注意，一个300万吨黑洞的直径是对皿万公里，这比目前仪器所能分辨的区域的尺度要小100倍。仪器的分辨率在今后几年中无疑会得到改进，但仍须记住，从地球上看去的银心黑洞角径，就跟一个放在1皿万公里外的网球一样大。
关于隐藏在银心的、与拉普拉斯的预言类似的巨大不可见星的猜想，是由德国天文学家约翰·舍尔德勒（Johann Seldner）于1801年首先提出的。不过他的目的简单地只是要解释银河系的自转，但他发现需要的质量大得难以相信，于是又立即放弃了这个猜想。关于银心巨型黑洞的第一个严肃的预言是在1971年作出的，那时还没有什么射电和红外资料支持。预言者是剑桥大学的唐纳德·林登一贝尔（Donald Lyndenrae购和马丁·里斯（Martin ReeS）。这其实是林登一贝尔的一些较早工作的合乎逻辑的结果，他在1969年建议所有星系的核心都隐藏有巨型黑洞，其周围的辐射能流则由可得到的气体原料数量来调节（两位俄国天体物理学家，雅可夫·泽尔多维奇和伊果·诺维柯夫（IgorN。Vik。V），于1964年提出，落向超大质量黑洞的气体吸积可能是类星体的能源）。
河外天文学的发展倾向于支持这个设想。与活动的赛弗特（Seyfert）星系尤其是类星体比较，人马座的黑洞就相形见细了。然而，近来似乎有比过去已观测到的多得多的剧变事件在银河系中心发生。当有200万颗恒星被束缚在巨型黑洞附近时，平均每1万年就会有一颗恒星偏离其圆轨道而落向黑洞，于是它就会被巨大的潮汐力所粉碎（这将在下面谈到）。一部分碎片将被黑洞吞噬，从而出现几十年时间的活动期，其余的碎片则被抛入一个很扁的轨道。已有人在认真地考虑，在IRS 16中观测到的暖云会不会就是在过去100万年中被黑洞撕裂的恒星碎片，这些云的数量与每1万年碎裂一颗恒星的频率是相符的。
所有这些似乎都表明，我们银河系的中心是那些发生着剧变现象的遥远星系中心的一个缩小版本。
星系世界
天文学家用现代望远镜能看到几十亿个星系。就像以前市丰（Buffon）对动物作分类那样，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在本世纪初也将星系按形态分成椭圆、旋涡、棒旋和不规则的这几类。前面已经看到，银河系是一个旋涡星系，有三个组成部分，即核球、有结构的盘和弥散的晕。棒旋星系通常也有两条卷曲的旋臂，但中心是一个律状部分。不规则星系类似旋涡星系，但没有晕和核球。而椭圆星系则没有盘，却像旋涡星系那样有很大的核球和曼。椭圆类型中有着最大的星系，群集着上万亿颗恒星，椭圆星系的主要特征是只包含恒星，而几乎没有气体。
一般认为，所有星系的年龄都相近，即150亿年，它们的形态不同是因为有着不同的“新陈代谢”。星系的新陈代谢是气体转化为恒星的速率，这也是星系“生命”的标志。这样看来，椭圆星系是初始转化速率最快的，绝大多数气体云还没来得及相互作用并逐渐落到盘上，就已经转变成了恒星（两团气体云的碰撞会耗散大量的轨道能量，使得它们落向星系的“赤道面”）。旋涡星系则不同，其初始代谢作用很慢，直到气体已在盘上铺开以后，恒星形成过程才发生。不规则星系则介于二者之间，不到一半的气体已变成恒星，因而也就没有一个确定的形态。
单从代谢作用来看，星系的演化似乎是相当平静的。椭圆星系里代谢过程已经冻结，旋涡星系里则有着一种缓慢地缩减的循环，即恒星诞生，毕生锻造着重元素，继而爆发使周围气体加浓，然后是新一代恒星形成，每一代新恒星都吸收进前一代制造出来的元素。
活动核
天文学在过去30年中的革命性进展之一是认识到星系不只是产生恒星光。有些星系的核心隐藏着本质上不同于恒星的强大“非热”辐射源，银河系就是最显而易见的一个，尽管其核心产生的能量只及其盘和晕中10皿亿颗恒星总辐射能量的千分之三。但是，在已观测到的星系中有那么百分之一，其中心活动非常之强，在一个小到像太阳系那样的区域里产生的非热辐射能量超过星系其余部分辐射能的总和。这些活动星系核的中心有着极为强大的“发动机”。
类星体（这是60年代初发现这类天体时所起的名称“类似恒星的天体”的简称，因为它们的点状表象类似于恒星。后来的更先进的仪器已经显示出它们周围的星云状结构，它们实际上是遥远星系的明亮核心。）3C273是用以描述活动星系所提出的问题性质的一个极好样本。在所有的天文现象中，类星体无疑是最有刺激性的，这是因为它们辐射大得令人难以置信的能量。3C273与地球的距离为30亿光年，比普通星系亮1000倍。它看上去是一个点源，因而尺度必定很小，测量结果其直径小于1光年。它的体积与银河系相比，就如同埃弗尔铁塔与地球相比，它的辐射能量又怎么能比银河系强上千倍的呢？
活动星系核的全部问题都由这个极端的样本体现出来。我们今天关于活动星系核的“中心发动机”如何运转的知识，相当于60年前关于恒星内部结构的知识，我们那时还不知道恒星是由其核心的热核反应来提供能量。由于核物理的进展，我们才得以理解为什么恒星会具有观测到的质量和光度，才能计算它们的结构并追踪它们的演化。对星系来说，现在还根本没有得出这样清楚的图像，然而，巨型黑洞对周围物质的吸积，其作用可能类似于恒星中热核能量的释放。下面就来解释这是什么缘故。
五环难题
活动星系核家族包括许多种类的河外源，如类星体、射电星系、赛弗特星系、蝎虎型天体、爆发星系等。对每种类型观测特征的详细描述将超出本书的范围，我们这里主要关注的是它们的共性，尤其是它们对天文学家提出的难题：中心发动机的实质是什么？这个难题可以分为五个部分，即辐射的非热性质，质量的高度集中，光度的变化，延伸到很远距离的气体喷流，以及与正常星系的相似性。
活动星系核可以在几乎所有波长上被观测到：射电、红外、可见光、紫外和X射线。最引人注意的特征是辐射谱的形状，即辐射强度作为频率的函数的分布，它与恒星或恒星集团的不同。恒星表面的辐射与理想黑体（见“黑洞与黑体”一节）辐射很相似，可以由一个特征温度来表述，被称为热辐射，而活动星系核的辐射却是非热的。最明显的例子是射电星系的同步辐射，即由以接近于光速的速度在磁场中运动的高能电子发出的辐射。
质量心理学
许多理论和观测上的论证表明星系核心物质是高度集中的。第一条论证是对任何一个源发出辐射总量的很一般的限制，与源的具体性质无关。一个质量一定的物体的辐射光度不可能超过一个被称为爱丁顿光度的临界值。道理很简单，一个稳定辐射源，其辐射所具有的外向压力不可能超过把源物质维持在一起的内向引力（这里的前提是稳定源，超新星的光度远远超过爱丁顿光度）。爱丁顿光度是这两种力相等的极限情况。假如太阳的光度增大25万倍，它就会蒸发，因为它的引力已不足以维持自身气体的聚集。一些温度很高的年轻巨星的辐射很接近爱丁顿光度，因而很快地“吹走”自己的气体外壳。如果辐射源不是一颗恒星而是一个在吸积气体云的黑洞，气体云辐射的压力就不可能超过黑洞对气体粒子的引力，不然的话粒子就会被推开，吸积也就停止。
假定活动性很强的星系核是以爱丁顿光度辐射，则对它们光度的测定就能给出对质量的估计。活动星系核的光度在太�
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