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第23部分（第1页）

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阳光度的1000亿倍到107亿倍之间，因而它们的质量在100万到100亿Mpe间，最高的质量对应着最活动的核，即类星体。

支持大质量中心发动机思想的第二个理论证据是效率，源的光度总是一定质量转化为辐射能的结果。先来考虑恒星中心释放的热核能量，这已被习惯地看作是很有效地把质量转变成能量的机制。当1000克氢转变成氦时，只有7克质量损失——转变成辐射能（见“火的抗争”一节），也就是说热核反应释放能量的效率只有0．7％。假如活动星系核释放的能量也是由于热核反应，那么一个类星体就得每年消耗

1000个太阳质量才能实现其光度。有很好的理由相信类星体的状态持续数百万年之久，这就是说一个类星体所消耗的总质量相当于整整一个星系。如果再进一步考虑到所涉及的体积又很小，那么这个要求确是太过分了。是不是有比热核反应更有效的机制呢？

由前面所讲的双星X射线源已可看到，强引力场中的能量释放堪当此重任。当吸积盘中的1000克氢缓慢地落入黑洞时，约有100克质量转变成能量，这个效率比热核反应的高得多。正是这种对可由引力场中获取巨大能量的认识，鼓舞着天体物理学家借助于致密天体来解释最剧烈的天文现象，无论是恒星尺度上的新星和X射线源，还是大得多的尺度上的星系核。一个新的充满活力的天体物理分支，即相对论天体物理，在对年代兴起，它所研究的就是致密天体引力场中物质的行为。

如果没有观测证实，则关于活动星系核中集中着巨大质量的理论设想就只是一种设想。有两个方法可以近似地测量星系核的质量，但只适用于邻近的星系（类星体不用这种测量，其质量可由光度来得出）。第一个是依据星系核附近恒星光的分布，如前所述，这个方法已被用于研究球状星团的中心（见“球状星团”一节）。如果有一个中心大质量存在，恒星就会被吸引而会聚，光度就会急剧增大。第二个方法是由核心周围物质的运动来推导中心质量，已被成功地用于银河系中心（见“人马座的银心黑洞”一节）。对河外星系的情况，核心附近恒星的速度可以测量，老认为恒星在作圆周运动，则中心质量值可以被推算出来。

这两个方法在1978年被成功地用来测量椭圆星系梅西叶87的核心质量，该星系是天空中最强的射电源之一。结果表明中心质量在30亿到50亿M之间，此外，梅西叶87的核心也不及全由恒星组成的那样明亮。这可能是对超大质量黑洞的首次观测发现。但是，像银心的情况一样，有理由对恒星速度的估计提出疑问：如果恒星是在沿径向运动而不是作圆周运动，中心质量就不会有那么大。

继梅西叶87之后，对邻近星系的核心作了系统的研究，活动核（如赛弗特星系的情况）的中心质量一般估计为1000万到1亿M之间。目前的记录保持者是NGC6240，它看来有一个质量为500亿M的巨大暗核。当然，“引力发动机”要有高效率，质量就得不仅是很大，还要报集中。对射电星系，可以用长基线干涉仪（即将多架射电望远镜分置于地球上各大洲，相隔数干公里，分辨能力就大为提高）来直接测量辐射核的最大尺度。对分辨得最好的邻近源所得的结果表明，中心质量被限制在小于1光年的范围内。

光变

对那些不是射电源的活动星系核，可以由光变来间接地确定其尺度。

第16章已讲过为什么一个源的光变可以指示出其尺度，这是因为源的构型的变化不可能传播得比光速更快。比如说，如果一个活动核的光度在一天里发生了可觉察的变化，则这个源的尺度必定是在1光天，即260亿公里之内。

前面也讲过，一个源的光度可以用来计算其质量，显然，源的尺度必定大于同质量黑洞的史瓦西半径。质量为1亿M的黑洞的尺度约为1光小时，于是1个1亿Mpe量的活动核就不可能在短于1小时的时间内发生光变，因此，源的特征光变时间就成为其致密程度的重要标志。

多数活动核的绝大部分辐射是在一个到几百个史瓦西半径之间的区域发出的。一个光变特别显著的活动核是OX169其X射线光度在100分钟里增至3倍，表明中心辐射源尺度与土星的公转轨道相当。显然，需要有一种特殊的致密源来为类星体提供能量。

宇宙喷流

半人马座A是最邻近的射电星系，距离为1600万光年。它并不是一个很强的源，但有两条壮观的电离气体流从星系中心的两侧喷出，并远远越过星系的光学边界而延伸到100万光年之遥。这种宇宙喷流的终止处是发出同步射电辐射的云块，被称为瓣。

在可见光段半人马座A是一个非常美丽的天体，像是一个隐藏在尘埃层后的椭圆星系。它的核心有一个小的变化的射电源，尺度为光小时量级。虽然校的射电功率相当低，但它注入瓣中的能量却相当于几百万颗超新星爆发，这表明半人马座A的活动性很强，其中心发动机的质量至少为1000万Mop。这种双喷流结构不是半人马座A所独有的，而是射电活动核的一个显著特征。近几年中，天文学家已使用长基线干涉仪分解出喷流像俄罗斯套娃娃那样的结构。长度为几光年的微喷流从致密核心射出，并与延伸到数百万光年远处的大喷流精确地连成一线，这样长距离上严格瞄准的气体结构表明，发出喷流的中心源对方向的“记忆”能保持数百万年。这种宇宙喷流是在像SS433（见“从恒星到星系”一节）这样的恒星系统里观察到的喷流的放大形式。这种类比进一步支持了大质量转动致密天体作为中心发动机的思想，转动轴的方向也就是气体喷射的方向。

马丁·里斯建议，那些显示最剧烈光变的活动核，其“喷气”方向正巧朝着地球。这个主意是为着解释一类令人困惑的活动核，即所谓蝎虎型天体（这类星系中的第一个是在蝎虎座发现的，起先被以为是一颗变星，1968年才被证认为河外射电源）。它们最引人注目的特征是光变比其他活动核更快，也更强烈。它们的光变时间短到只有几个小时，以至于其辐射似乎是来自一个比同质量黑洞的尺度还要小的区域。还有一个重要的差别：其他活动核的光谱有很强的壮，发射线（类星体的距离正是利用其发射线的红移来确定的），而竭虑型天体的却几乎是“无线”谱。按照普遍接受的观点，发射线是产生于中心源周围受到照射的巨大气体云，所有的活动核都必定有这种云。

里斯的朝向地球喷流馍型同时解释了蝎虎型天体表现上过快的光变和发射线的缺乏。由于使义相对论效应，一个速度接近于光速并朝着观测者运动的喷过，其光度会被放大，而表观光变时间会变短（还可以解释为什么有些喷流看上去运动得比光速还快）。而如果蝎虎型天体的喷流确是朝向地球，来自靠近中心处的发射线就会被喷流的极强辐射完全淹没。

连续与变异

对“正常”星系，也就是核心光度弱于其余部分的星系的观测表明，它们有许多与活动星系共同的性质。最明显的例子是银河系，其核心是一个具有高度集中质量的射电源。看来可以合理地设想，活动星系核并不是什么外来的怪物，而是处在有利于中心活动的演化阶段的星系。

活动星系核最重要的性质是具有高度集中的大质量。前面所讲的观测方法能用来估计任何一个邻近星系核的质量值，只要它不被尘埃所遮掩。这些方法对邻近星系核的应用已经在过去几年产生了，并正在继续产生出惊人的结果：中心大质量的存在似乎是几乎所有星系的共同特征，无论是旋臂型的还是椭圆型的，是巨型的还是矮型的。在众多的事例中，这里只介绍特别有趣的两个。

银河系属于一个约有20个成员的星系群，居于支配地位的是仙女座大星云。它与地球的距离只有200万光年，用肉眼即可看见。它是银河系的近亲，也是旋涡星系，化学成分相同，也有小的卫星系，只是尺度比银河系大了将近一倍半。由于它的盘面不与观测方向平行，它的不活动核心可以用光学望远镜观测，并且可以测量核心附近恒星的分布。最新的计算表明，它的暗弱中心的质量为

1000万M，这个星系有着型号挺好的中心发动机，不过没有运转。

梅西叶32是仙女座大星云的卫星系之一，是一个质量相差一百倍的矮椭圆星系，完全不活动，只不过是一群绕核心转动的高龄恒星的集合而已。气体和尘埃的缺乏使得可以很高精度观测其核心部分，并得以计算出恒星是在围绕一个500万M／wi的看不见的中心质量运转。这个矮星系的心脏和银河系的一般大。

由此可见，如果大多数星系的核心都有着巨型黑洞，那么它们活动的程度则取决于见光年半径内恒星和气体，也就是“燃料”的密度。梅西叶32虽有巨大的发动机却完全不活动，也就不足为怪，因为这个椭圆星系很小，包含的恒星不多，并且完全没有什么气体。梅西叶87是另一个极端，这个巨大的椭圆星系里可能有一个50亿M的黑洞。它的核心有一定的活动性，但比类星体要弱得多。按照它的光度来推算，每年只需有万分之一太阳质量的气体被吸入黑洞即可。这个数量的物质是很容易由黑洞附近的数百万颗恒星来提供的，因为恒星在其演化进程中丢失气体是一种正常现象。梅西叶87有可能是一个熄灭了的类星体，那个类星体的马力开得最足的时期大约是在10亿年前，那时尽管它距离地球有5000万光年之遥，亮度却与水星相当，因而应能在夜间用肉眼看到。

其他能源机制

探测到活动星系核中物质的高度聚集，还不是巨型黑洞存在的确定证据。原则上，其他两种天体也同样可以成为致密的和高效的发动机：极端密度的星团和单个的超大质量恒星。这些参与竞争的模型能经受得住更严格的考查吗？回答是否定的。

星团模型的基础是星团内异常的超新星爆发率。超新星作为大质量恒星热核演化的自然结果，在统计上是很稀少的：一个星系里每百年只有几个。但是，在很密集的星团里，超新星爆发的频率会由于恒星碰撞而增大。两颗恒星碰撞的结果，通常是并合成一颗大质量星，这颗星就会更快地朝着超新星状态演化。计算表明，在一个包含10亿颗恒星的密集星团里，恒星间的碰撞是如此频繁，可能形成的大质量恒星是如此之多，以至于每年可以有10次超新星爆发。

星团模型有三个主要问题，首先，它不能解释类星体和蝎虎型天体光度的巨大变化。相对于类星体的烈火来说，每个超新星爆发只是燃着一根火柴，为产生类星体的光变，必须有一千个超新星同时爆发。其次，星团不能产生出大尺度的稳定的宇宙喷流，因为它不能给定一个特别的方向来推斥物质。第三，也是最严重的反驳是，致密星团是极不稳定的。聚集在1光年半径内（这是由观测给出的限制）的10亿颗恒星的集团，只能维持100万年就会坍缩成为黑洞。这么多活动星系校要在这么一个短暂而特殊的演化阶段都被观测到，那可真是一个奇怪的巧合。奥克姆剃刀再次干预，排除了致密星团作为活动星系核能源机制的可能性。

超大质量恒星模型的遭遇也不见得好。恒星结构的理论已经说明了为什么观测不到质量超过100M的恒星。不过，天体物理学家仍在不断地推测10万到1亿M的超大质量恒星的存在。这种恒星的主要特征应当是极其明亮，但这也正是问题之所在：这种星只是一个巨大的光子球，而光子球并不是稳定的系统，即使这种星通过某种尚无人知晓的机制形成了，它们也必定很快就爆发或是坍缩。

由于此路不通，又有几个超大质量星的变种被发明出来，以期能维持巨大质量的稳定存在。一种叫做“巨转星”，就是快速转动的超大质量星，由离心力来维持平衡。还有所谓“巨磁星”，依靠巨大的内部磁压来稳定。这些猜想的星都像是放大的脉冲星，都有能为喷射物质提供特定方向（转动轴或磁轴方向）的优点。但是，广义相对论证明，它们本质上都是不稳定的，主要原因是引力波造成的能量损耗，而且，巨型脉冲星会产生周期性光变，而这从未在任何活动星系核中观测到。

总之，为解释星系核的活动，巨大的吸积着的黑洞是唯一能符合所有理论和观测要求的模型。这种黑洞的形成是由广义相对论预言的，而且已被确认是所有大质量天体引力坍缩的最后结果。黑洞是稳定的，能通过吸积物质而成为将引力势能转化为辐射的理想场所。最后，黑洞不仅能释放落向它的物质的能量，而且它自身也能提供巨大的转动能（见第11章）。由于转动轴能为喷射物质提供特许的方向，转动黑洞附近也能产生气体喷流，类似于恒星SS433，却是在大得多的尺度上（见图66）。

怎么吃

取10％的平均效率，则光度最小和最大的活动星系核需要消耗的气体分别是每年0．of　和100倍太阳质量。这些物质是如何被提供的呢？

在像银河系这样的旋涡星系里，恒星每年喷发出一个太阳质量的气体。难以理解的是。这些散布在10万光年直径的盘里的气体，怎么才能被引导到直径只有1光年的小小核心里？另一方面，有些椭圆星系虽然没有星际气体，却也有活动性，主要的表现就是发射出射电喷流。

因此必定存在一种更激进的机制，能在核心区域自身内产生出大量气体。既然气体是被包含在恒星里，黑洞要进食就得击碎恒星。

巨型黑洞完全能够吞噬整个的恒星。太阳同一个巨型黑洞相比，就像是砂粒之于足球，但是，这种吃法并不释放能量，恒星的所有能量都消失在黑洞之中，而黑洞只不过稍稍增大点质量而已。要使能量释放，恒星就必须在黑洞外面破碎，导致有些碎片能成为吸积盘的成分。

管星式恒星

在许多方面，沉浸在星团里的巨型黑洞，与被誉星“随从”所围绕着的太阳报相似。星团中的恒星就像一种能量储藏器，一般情况下离黑洞甚远，因而几乎不受中心引力场的影响。但是，一已有的恒星在黑洞附近掠过，就会受到加速而偏离原有的轨道，有时其中一颗星会直接落向黑洞。从这时起，这颗星的命运就完全由吸引它的引力饼和照射它的辐射场来控制。像靠近太阳的管星那样，这颗星也受到很强的辐射，辐射不是来自黑洞，而是来自其周围吸积盘的高温区域。恒星于是开始蒸发，逐渐脱去外层，直到露出热核反应的核心。如果这颗星并不过份靠近黑洞，它就还能沿抛物线轨道离开引力讲，不至被损坏得太严重，并且在几年后会返回到原先的位置，否则，这颗“香星式”恒星就会由于失去了太多的轨道能量而被黑洞束缚在一个椭圆轨道上，并且越来越向中心靠近，在每次经过“近心点”时都丢失一些气体。

但是，若星式恒星的蒸发只能为黑洞的食物供给作出很有限的贡献，星系核的活动要求黑洞消耗相当于整个恒星的气体。有两种情况能使恒星以适当的方式瓦解：一种是黑洞附近的两颗管星式恒星的碰撞；另一种是单个恒星被黑洞的潮汐力撕裂。

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