類星體的焰火

“現(xiàn)在我就要爆炸了，”他大聲喊道，“我要點燃整個世界，我要聲威大震，讓所有的人在這一年里都不再談?wù)搫e的事情。”的確他真的爆炸了。呼！呼！呼！火藥爆炸了。這是千真萬確的。

——王爾德《神奇的火箭》

幼年的宇宙里非常擁擠，年輕的星系們經(jīng)常會相撞，發(fā)生融合。大多數(shù)初生星系的中央有著中等大小的黑洞，這些黑洞在星系融合時也會結(jié)合成更大的黑洞。如今觀察到的多數(shù)大星系，中央都盤踞著質(zhì)量達到幾百萬乃至幾十億個太陽質(zhì)量的巨大黑洞。

黑洞有著吞噬一切的惡名。周圍的氣體塵埃云在其強大的引力作用下，會達到極高的速度和溫度并螺旋運動著跌入黑洞，使這個無形巨怪的體重繼續(xù)增加。但黑洞的貪婪并不是無休止的。天文學(xué)家觀察了幾十個星系后發(fā)現(xiàn)，星系中央黑洞的質(zhì)量大概是星系中所有恒星總質(zhì)量的1/500，不會長得更大。

是什么因素限制了黑洞的食量與體重？美國和德國科學(xué)家最近對兩個星系相撞并融合的過程進行了計算機模擬，為解釋以上現(xiàn)象提供了線索。按照他們的模擬結(jié)果，大黑洞在經(jīng)歷稱為類星體的成長階段時，周圍熾熱的氣體物質(zhì)會爆發(fā)，產(chǎn)生一股強大的宇宙風(fēng)，將絕大部分氣體塵埃云從黑洞附近乃至整個星系里刮走，拋入深空。放完這個巨大的宇宙焰火之后，黑洞沒有了食料，質(zhì)量不再增長；星系也沒有了制造恒星的原料，恒星不再誕生。星系成熟了，世界清靜了。

類星體是一種極其明亮的古怪天體，它于1960年首次被發(fā)現(xiàn)。由于看起來很像恒星，又發(fā)出強烈的射電波，因而被稱為“類恒星射電源”，英文縮寫為quasar，譯作類星體。經(jīng)歷了長時間爭論后，許多天文學(xué)家現(xiàn)在認為，與另兩種古怪天體——賽弗特星系（一種有著亮而小的核的星系）及耀變體（一種在可見光波段不明亮，但在射電波段極明亮的天體）一樣，類星體的本質(zhì)是劇烈活動的星系核。在那里，熾熱氣體在跌入巨大黑洞的途中發(fā)出強烈的射線，使得遠在幾十甚至上百億光年外的我們也能看到。

美國卡耐基－梅隆的迪馬特奧和德國馬克斯－普朗克天體物理研究所的斯普林格等人，用超級計算機模擬了早期宇宙里兩個星系相撞的情形。這是人們第一次在模擬中發(fā)現(xiàn)星系中央黑洞合并的破壞性效果。在大約1億年的時間里，黑洞質(zhì)量不斷增長，將更多氣體燃料吸引到自己身邊，氣體在向黑洞靠近時變得更熱、更明亮。這樣，融合后的星系核就成了一個類星體。就在這個類星體階段里，某種事件發(fā)生了，熾熱氣體突然爆發(fā)出巨大的能量，產(chǎn)生強風(fēng)，阻止物質(zhì)繼續(xù)落入黑洞，并將大部分氣體拋到星系之外。這一過程阻止黑洞繼續(xù)生長，使星系停止制造恒星，當(dāng)然，也結(jié)束了類星體自己的生命。模擬顯示，在小星系中央，類星體產(chǎn)生的風(fēng)很快就刮走了幾乎所有的氣體，結(jié)果，星系里的恒星很少；大星系則有更多氣體和更大黑洞，有時間制造更多恒星。

在科學(xué)家模擬出的星系相撞過程，從上到下分別是兩個螺旋星系相撞合并、類星體形成、宇宙風(fēng)刮走物質(zhì)等各個階段。最終星系中只剩下很少的氣體和一個巨大黑洞。類星體在華麗的焰火中消亡，它們的壽命與星系本身相比非常短暫。早期宇宙中有很多類星體，但大多數(shù)已經(jīng)這樣消失，所以人們觀察到的類星體很少，而且總在極其遙遠的地方——也就是離我們極其遙遠的年代。年紀大的星系都已經(jīng)太成熟，早就過了類星體階段。

模擬顯示，星系中央黑洞質(zhì)量與星系中恒星總質(zhì)量直接相關(guān)，這與觀測結(jié)果相符，意味著黑洞可能是星系形成過程的密切參與者。星系與其中央黑洞的起源，一向是先有雞還是先有蛋的問題。有人認為先有黑洞，氣體在被吸引靠近黑洞的過程中，擠壓得更致密而形成恒星。也有人提出，黑洞與星系同時誕生、共同成長。近年的一些觀測結(jié)果以及上述模擬過程都支持后一種理論。當(dāng)然這只是一個簡單的模擬，真正的過程極其復(fù)雜，而且科學(xué)家還不明白類星體是怎樣爆發(fā)出能量的。不過無論如何，這是一個好的開始。