奇怪的一对:类星体和黑洞
黑洞是爱因斯坦最奇怪的预言之一吗广义相对论:在这些时空区域中，引力如此之强，以至于任何东西——甚至包括光——都无法逃脱。更准确地说，黑洞是被视界包围的时空奇点，视界是一个完美的单向薄膜:物质和辐射可以进入视界，但一旦进入，就永远无法逃脱。值得注意的是，一个孤立的、不带电的黑洞完全由两个参数来表征:它的质量和它的旋转或角动量。
用目前或可预见的技术，在实验室研究宏观黑洞是不可能的，所以检验爱因斯坦理论的这些预测的唯一方法是在天空中找到黑洞。孤立的黑洞很难被观测到，这并不奇怪。它们不仅是黑色的，而且非常小:具有太阳质量的黑洞直径只有几公里(这种说法故意含糊:因为黑洞弯曲空间，接近黑洞的“距离”的概念并不是唯一的)。然而，在富含气体的环境中探测黑洞的前景要好得多。靠近黑洞的气体通常以旋转圆盘的形式出现，称为吸积盘:轨道上的气体不是直接落入黑洞，而是随着轨道能量转化为热量，逐渐向事件视界旋转，使气体变暖，直到它发光。当向内旋转的气体消失在视界后面时，每千克吸积气体都会释放出大量的辐射。
在这个过程中，黑洞可以被认为是一个熔炉:当提供燃料(气体)时，它就会产生能量(发出的辐射)。爱因斯坦的标志性公式E = Mc2与质量米还有光速c变成一种能量E叫做静止质量能。利用这种关系，就有了一种自然的无量纲的方法来衡量这个或任何其他熔炉的效率:它产生的能量与它消耗的燃料的静止质量能量之比。对于燃烧化石燃料的熔炉来说，效率是非常小的，大约5 x 10－10．对于使用铀燃料的核反应堆，效率要高得多，在0.1%左右;而为太阳和恒星提供动力的聚变反应，效率可以达到0.3%。
黑洞熔炉的效率甚至可以比这些更高:在10%到40%之间。在我们驯化黑洞的可能性不大的情况下，美国的全部电能消耗可以由一个黑洞炉提供，每年只消耗几公斤燃料(黑洞的另一个好处是它们可以消耗放射性废物，而不是产生它!)
尽管核聚变反应的效率相对较低，但宇宙中的大部分光都来自恒星。这些恒星大多是在星系中组织起来的。我们自己的星系包含数百亿颗排列在圆盘上的恒星;其中最近的一个距离我们约1秒差距(3.26光年)，而到银河系中心的距离约为8千秒差距(约26000光年)。来自星系盘中遥远恒星的漫射光就是我们所观察到的银河系。
一小部分星系在其中心附近包含神秘的致密光源，称为活动星系核。其中最亮的是类星体；值得注意的是，类星体可以发射高达1013它们的亮度是太阳的两倍，因此比它们所在的整个星系都亮。尽管类星体比星系稀少得多，但它们非常明亮，贡献了宇宙中近10%的光。
具有讽刺意味的是，类星体非凡的亮度使得它们难以被发现。除了在少数情况下，它们太亮了，以至于在类星体的眩光中无法看到主星系，而且它们太小了，看起来像恒星(事实上，“类星体”是“准恒星物体”的缩写)。因此，即使是最明亮的类星体通常也无法与数百万颗亮度相似的恒星区分开来。幸运的是，一些类星体也是强烈的射电发射源，1963年，这一线索使天文学家确定了一个名为3C 273的射电源，其光源微弱，看起来像一颗无法分辨的恒星。有了这个鉴定，加州理工学院的Maarten Schmidt能够证明3C 273的光谱线红移(宇宙膨胀引起的多普勒移)到比实验室光谱长16%的波长，因此3C 273在800百万秒差距的距离上，比它是一颗正常恒星的距离要远1000万倍。
到目前为止，我们已经发现了近10万个类星体。大多数类星体是在宇宙年龄的20 - 30%时形成的，到目前为止，类星体的数量已经从峰值下降了近两个数量级，这可能是因为随着宇宙的加速膨胀，类星体的燃料供应正在枯竭。
类星体怎么能发射这么多能量?它们是黑洞熔炉的说法是在它们首次被发现后不久提出的。但在20世纪60年代，黑洞还是一个新颖而奇异的概念，人们需要巨大的黑洞(大约1亿个太阳质量)来解释类星体的性质。因此，大多数天文学家相当正确地把注意力集中在更保守的模型上，比如超大质量恒星、普通恒星或中子星的密集星团，以及坍缩的气体云。然而，在接下来的20年里，所有这些模型都被证明无法解释越来越多的类星体观测数据。此外，其他研究表明，在星系中心形成大质量黑洞是自然的，甚至可能是不可避免的。
许多间接但令人信服的论点也支持黑洞炉假说。例如，一个明亮类星体在其生命周期内的发光输出对应的静止质量能量大约是太阳质量的1亿倍。如果这是由聚变反应产生的，以前面给出的0.3%的效率为恒星提供动力，所需的燃料质量几乎是银河系中所有恒星的总和。没有合理的方法将这么大的质量输送到黑洞附近的微小区域。另一方面，对于黑洞炉，效率为10%或更高，因此所需质量小于109太阳的质量，这么多的气体在许多星系的中心附近不难找到。因此，黑洞熔炉是唯一不会耗尽主星系燃料预算的模型。
第二个争论是关于类星体的大小。类星体的亮度在短至几周的时间尺度上不规则地变化。事实证明，要构建一个发光天体物理物体的任何合理模型都是相当困难的，因为该天体物理物体在一个比穿过该物体的光传播时间更小的时间尺度上变化很大:物体的不同部分在这个时间尺度上没有因果联系，所以它们独立变化，它们的贡献趋于平均。因此，变化最快的类星体的大小必须小于光在几周内传播的距离，大约是百分之几秒差距，或者是地日距离的几千倍。按照我们的标准，这样的距离是很大的，但在星系尺度上却非常小，只有整个星系大小的百万分之一。一个1亿个太阳质量的黑洞和它周围的吸积盘可以很好地适应这个体积——它的视界半径大约是地日距离——但几乎所有的类星体替代模型都不能做到这一点。
第三种说法出现了，因为一些类星体发射出强大的等离子体射流，其延伸距离可达1百万秒差距(见图1)，可能是受到黑洞附近磁场的准直和加速。这些喷流的产生并不那么引人注目:例如，各种类型的恒星也会产生规模小得多的喷流。然而，类星体喷流通常以接近光速的速度运行，除了靠近黑洞的视界之外，没有任何合理的方法可以产生如此高的速度。此外，喷流准确地是直的，即使喷流最内部的部分是在远端物质释放100万年后释放的。因此，无论什么结构使喷流对齐，都必须在数百万年的时间里保持其对齐;如果喷流沿着旋转的黑洞的轴喷射出来，这很容易，但在其他类星体模型中很难或不可能。
基于这些和其他的论点，人们几乎完全同意类星体的能量来源是气体在黑洞上的吸积，这些黑洞的质量达到或超过1亿个太阳质量。接受这个模型可以得出一个简单的推论:如果现在发光的类星体的数量比宇宙年轻时要少得多，而且类星体是黑洞的熔炉，那么许多“正常”星系的中心应该仍然包含曾经为类星体提供动力的黑洞，但现在是黑暗的。我们能在附近的星系中找到这些“死亡的类星体”吗?
波兰天文学家安杰伊·索伊坦(Andrzej soutan)为这项研究提供了一个重要的指引。宇宙是均匀的，所以平均而言，类星体光的能量密度在宇宙中的任何地方都是相同的平均在大于约10兆秒差的尺度上的平均平均值，这与宇宙的整体“大小”(几千兆秒差)相比仍然很小。我们可以通过将调查中发现的所有类星体的贡献加起来来测量这种能量密度。例如，如果这种能量是由黑洞熔炉以10%的效率产生的，那么质量米黑洞吸积所产生的物质0.1 mc2在类星体光中。同样，如果死亡类星体的平均质量密度为ρ，则类星体光的能量密度必须为0.1 cρ2．
既然我们知道后一个数字，我们就可以反过来计算死类星体的质量密度。这一论点的力量在于，它不需要对黑洞的质量或数量进行假设;不知道类星体形成的时间、地点和方式;除了类星体熔炉的效率，我们对它的物理原理一无所知。索伊坦的论点告诉我们，死亡类星体的质量密度应该是每立方百万秒差距几十万个太阳质量，而大型星系的密度大约是每100立方百万秒差距一个太阳质量。它没有告诉我们的是，单个死去的类星体有多常见，质量有多大:例如，平均来说，每个星系中可能有一个质量为1000万个太阳质量的死去类星体，或者在1%的星系中有一个质量为10亿个太阳质量的死去类星体。
受到黑洞引力场影响的恒星——通常是那些在一秒差距范围内的恒星——会加速到更高的速度。这种加速导致了多普勒频移的增加，从而拓宽了恒星群的谱线。对附近星系中心的这种效应的研究始于1980年左右，并在少数情况下获得了黑洞——或者至少是大质量黑暗物体——存在的证据。这些结果很诱人，但不完整:问题是地面望远镜的角度分辨率受到大气造成的模糊的限制，所以黑洞的影响只能在最近的星系中被探测到。这个问题是建造哈勃太空望远镜的动机之一，在1990年发射时，它的角度分辨率大约是最好的地面望远镜的十倍。从那时起，哈勃望远镜投入了数千个小时来寻找星系中心的黑洞，这次搜索证实了早期在附近星系的地面探测，并提供了在几十个更远的星系中存在巨大黑暗物体的有力证据。我们相信哈勃观测到的巨大的黑暗物体是黑洞，因为其他的选择(例如，密集的低光度恒星群)是不太合理的。近年来，地面望远镜恢复了对死亡类星体的搜索，现在使用自适应光学技术实时校正大气模糊，提供了与哈勃相同或超过哈勃的角度分辨率。
我们所在的星系也有一个黑洞。非常接近银河系中心的地方有一个紧凑的强射电发射源，被称为人马座a *。高分辨率红外观测显示，在人马座a *的百分之几秒差距内，有几颗明亮的恒星。这些恒星的位置和速度已经被追踪，有些长达20年之久;特别是，恒星S2的轨道周期只有15.8年，现在已经被跟踪了不止一个完整的轨道(图2)。利用1年力学，我们可以从这颗恒星的轨道推断出，这颗恒星围绕着一个位于人马座a *的天体运行，这个天体的质量为430万太阳质量，这个天体的大小不到地日距离的100倍。这种质量的极端集中与任何已知的长期存在的天体物理系统都是不相容的，除了黑洞。
关于黑洞和星系之间的关系，我们更广泛地了解到了什么?首先，黑洞似乎存在于大多数星系中。其次，在大多数情况下，黑洞的质量大约是星系中恒星质量的0.2%。但我们发现的黑洞真的是死去的类星体吗?从星系调查中，我们可以确定局部宇宙中恒星的平均质量密度，由于黑洞质量通常是星系中恒星质量的0.2%，我们可以估计出黑洞的平均质量密度。soutan的论点，如前所述，从完全不同的数据中给出了死亡类星体的平均质量密度。这两种估计在大约2倍的范围内一致——在不确定性范围内——因此，毫无疑问，我们发现的黑洞确实是类星体的灰烬。因此，类星体——河外宇宙中最引人注目的组成部分之一——变成了黑洞——这是20世纪理论物理学中最奇特的预言之一。
黑洞与星系形成之间的关系是关于这些天体最深刻的未解问题之一。虽然黑洞只占星系中恒星质量的百分之一，但形成黑洞时释放的能量比形成星系其他部分时释放的能量大上百倍。即使这些能量中的一小部分被反馈给周围的气体和恒星，它也会对星系的形成过程产生巨大的影响，可能会把气体吹出星系，从而抑制新恒星的形成。黑洞和类星体是星系形成过程中有趣的副产品，对形成过程没有影响，还是它们在调节过程中起着核心作用?更简单地说，是星系决定了类星体的性质，还是反之?
第二个深刻的问题是，这些黑洞能否充当物理实验室。迄今为止，爱因斯坦理论的所有测试都是在弱引力场中进行的，比如地球上或太阳系里的引力场。因此，我们没有直接证据证明该理论在强引力场中有效。在星系中心的黑洞附近，许多自然发生的过程，如恒星的吞噬和黑洞合并，可能会被下一代天文台测量。我们能很好地理解这些过程，从而在强引力场中检验广义相对论的预测吗?爱因斯坦最终会被证明是正确的吗?
