超大质量黑洞:星系中心的巨兽
▲超大质量黑洞及其吸积盘的艺术想象图来源:Space Engine
此次事件视界望远镜(EHT)国际合作项目探测的两个黑洞分别是银河系中心黑洞和位于室女座方向的椭圆星系M87中心的黑洞,这两个黑洞都属于超大质量黑洞。
超大质量黑洞的质量通常介于百万到百亿倍太阳质量之间,其典型值是数亿倍太阳质量。从理论上来说,黑洞的质量都集中在中心密度无穷大的奇点,奇点之外是弯曲纠缠的时空。但如果把黑洞的引力半径看成黑洞的大小,那么质量越大的黑洞就显得越“虚胖”。对于十倍太阳质量的恒星质量黑洞,其引力半径大约是三十公里,接近于上海崇明岛的大小,非常致密且其平均密度超过中子星的物质密度。对于1亿倍太阳质量的超大质量黑洞,其引力半径已经增大到太阳与地球距离的两倍,平均密度却仅相当于地球上水的密度,也和太阳的平均物质密度相当。
目前观测到的超大质量黑洞基本都位于星系的中心区域。我们银河系中心就有一个大约四百万倍太阳质量的黑洞,在超大质量黑洞中属于比较小的,其引力半径大约是日地距离的十分之一。
▲银河系银盘示意图——来源:中科院国家天文台
作为宇宙的基本结构单元,星系是黑暗广袤宇宙中的明亮岛屿,其中含有大量暗物质、恒星、气体等物质。银河系中大约有千亿颗如太阳般因中心核聚变发光的恒星。此外,天文学家相信每个大质量星系中心都有一个超大质量黑洞。
超大质量黑洞经常被称为宇宙巨兽,但这应该不是因为它们的体积。对于一个典型的1亿倍太阳质量的超大质量黑洞,其引力半径大约等于400倍的太阳半径,仅仅只是星系中相邻两个恒星平均距离的十万分之一。超大质量黑洞之所以被称为宇宙巨兽,主要是因为它们的质量巨大,达到百万到百亿倍太阳质量,并且它们对星系的影响巨大。超大质量黑洞可以主导比其引力半径大千万倍的星系中心区域的引力,产生的能量爆发足以深刻影响比其引力半径大十亿倍以上的星系中的气体分布和恒星形成。
如果把星系缩小成地球大小,那么其中心的超大质量黑洞大约只有一粒花生米大小。但这个位于“地球”中心的“小花生米”在“进食”(吸积物质)过程中产生的能量爆发却深刻影响到了整个“地球”上的气候变化(气体运动)和生命成长(恒星形成)。超大质量黑洞对星系的影响,一般被称为反馈作用,是当前天文学研究的热点前沿方向之一。
宇宙巨兽的休眠与爆发
那么,超大质量黑洞是怎么通过反馈机制影响到整个星系的演化呢?超大质量黑洞因为其强大的引力可以吸积运动到其附近的物质,如气体、恒星等。被吸积的物质通常拥有角动量,会环绕黑洞形成旋转的吸积盘或比较厚的吸积流,其中一部分物质最终会进入黑洞。因为黑洞的致密性与强引力,黑洞吸积过程会释放大量的引力能,转化为被吸积物质的动能,其中一部分动能会因为气体间的“摩擦”或磁场的作用耗散为气体内能。黑洞吸积过程可能是已知宇宙中能量转化效率最高的物理过程,其能量转化率是热核聚变能量转化率的数十倍。
▲黑洞吸积过程与能量释放的三种方式(郭福来制图)
黑洞吸积过程释放能量的方式主要有三种,包括光辐射、准直性很好的喷流、和张角较大的外流。光辐射与外流可以对超大质量黑洞的周边环境产生强烈影响,而喷流与强外流则可以传播到星系甚至更大空间尺度上。因此,这些释放的能量与星系内的气体相互作用,可能直接影响黑洞吸积流(如外流改变了黑洞吸积率),影响了对黑洞吸积系统的物质供给,甚至影响了星系中的气体动力学与恒星形成。
▲M87星系中心黑洞的射电喷流反馈来源:美国国家射电天文台
目前黑洞反馈作用最直接的观测证据在星系团中。位于星系团中心的超大质量黑洞在吸积物质的过程中,释放出强力的射电喷流,并在星系团内区产生半径达数千到数十万光年的大气泡。这些大气泡中含有大量在喷流中被携带或加速的高能粒子,产生可观测的射电辐射。星系团中含有大量能产生X射线辐射的热气体,而喷流产生的射电气泡可以排开其周边的星系团气体,在星系团的X射线图中产生X射线辐射明显偏弱的空洞和激波、声波等结构。观测发现黑洞喷流传递给星系团气体的能量足以弥补其因X射线辐射而损失的能量。
因为强烈的能量释放,处于吸积物质阶段的超大质量黑洞可以被称为爆发中的宇宙巨兽。相对应的,停止吸积物质或吸积率非常低的超大质量黑洞可以被称为休眠中的宇宙巨兽。黑洞因为“进食”而爆发,因此爆发中的宇宙巨兽也正在积极成长中。
一个超大质量黑洞在其成长历程中很可能经历了多个“爆发-休眠-爆发”的周期性轮回。在银河系的近亿颗恒星质量黑洞中,目前仅有二十多颗因为产生X射线辐射(“爆发”)而被人类探测到,说明大部分恒星质量黑洞在休眠中。同样的,近邻宇宙中的大部分超大质量黑洞也在休眠中。我们知道宇宙一直在膨胀中,过去的宇宙中的物质更加密集,星系中的气体含量也更高,而超大质量黑洞的爆发也很可能比今天的宇宙更加频繁。
▲人马座A*超大质量黑洞来源:NASA