特大质量黑洞：塑造周边环境
M. Colnab Miller, Christopher S. Reynolds & Anita Krishnamurthi
译自Sky & Telescope, Vol. 109, No. 4 (2005)
室女座庞大的星系M87呈现给我们的是个根本性的秘密：什么它有如此之大，却不是更大呢？对星系形成的理解是现代天体物理学最伟大的前沿之一，而M87这样的巨型椭圆星系提出了一个尤为突出的谜题：某些东西似乎突然打断（并且仍在阻碍）它们的成长。
室女星系团中央的8.6等巨型椭圆星系M87距离我们5500万光年，早在近100年前它就因黑洞驱动的喷流（从星系的亮核突显出来）引诱着天文学家。（图片提供：Canada-France-Hawaii Telescope/J. C. Cuillandre/COELUM）
现在，许多天文学家认为，这一谜题的答案是最初由Heber D. Curtis在80年前描述的一种现象。1918年，Curtis正在使用利克天文台的0.9米Crossley反射镜观测M87。他是个经验非常丰富的观测者，已经观测过数千个星系了，但这个星系有些特别：从它的核心伸出了一条“奇怪的直线”。
M87“奇怪的直线”最早由Heber D. Curtis（左图）于1918年使用利克天文台的0.9米Crossley反射镜（右图）拍摄。
Curtis当时并不知道，他发现了星系可能拥有的特大质量黑洞产生强大影响的第一个证据。实际上，他可能已经发现了在某些情况先让星系形成过程整个停止的自动调温器。
我们目前仍在与Curtis的发现相拼搏。主要是由于1960年代和1970年代射电天文学的进展，现在我们知道，Curtis观测到的是一股强大的气体喷流，它由中心黑洞附近的高能过程驱动，中心黑洞有着300万倍于太阳的质量，却占据着不及太阳系大的空间。我们还知道，M87有同伴：现在已知有数百个其他星系有喷流，喷流的根本动力源是物质朝向特大质量黑洞的引力坠落。
左图：根据相隔几年拍摄的照片，M87朝向地球的喷流（图中是哈勃空间望远镜拍摄的图景）看起来比光运动得更快。但这种超光速运动是个爱因斯坦理论中的光学错觉（图片提供：Hubble Heritage Project/STScI/SURA）。右图：实际上，M87喷射出两条而非一条喷流，它们从相反方向喷出。远离地球而去的喷流由于相对论性退行而变暗至不可见。然而，在这张甚大天线阵拍摄的假彩色射电图象上，两条喷流在减速并传播到图象边缘时都产生了相当的射电辐射（图片提供：National Radio Astronomy Observatory）。
仅仅在几年前，这看起来就是故事的终结了：星系中心的黑洞吞噬掉气体，并产生辐射和喷流，而对围绕着黑洞、体积大得多的星系来说，这种活动基本可以被忽略。然而，现在看来，星系的演化与它们中心特大质量黑洞的生长密切相关。实际上，来自这类黑洞的喷流甚至可以对整个星系团产生巨大影响。
星系团中阵风袭袭的洞
为了更仔细地研究这一点，我们需要回到M87这个例子上来，而M87恰好是室女星系团的中央成员。一个星系团通常在几百万光年的区域中分布有几百至几千个星系。但星系仅仅是冰山一角，一个星系团85%的质量以出了名地难捉摸的暗物质形式存在。
在其他“正常”的物质中，仅仅10%结合成我们所见的星系，剩下的则作为气体充斥着星系之间的空间。这种气体极热（2000至8000万开尔文）且极为稀薄（在一立方分米的空间中仅有几个粒子）。
1980年代，X射线天文学家开始更为细致地研究这种星系团内介质。他们推论说，气体通过一种叫做热轫致辐射的过程发出X射线辐射。这个过程在带有负电荷的离子使飞过的自由电子运动路径发生偏转时产生辐射。由于星系团对可见过和X射线来说都几乎是完全透明的，这种辐射就会逃逸出去，从而使气体冷却。冷却过程在星系团内介质最为浓密的星系团中央区域进行得最快。
钱德拉X射线天文台（左图，图片提供：NASA/CXC/Andrew Fabian and colleagues）和甚大天线阵（中图，图片提供：CXC/NRAO/Greg Taylor）拍摄的英仙星系团图象说明，由黑洞驱动的喷流（见射电图象）可以在星系团超高温的气体中产生持续时间很长的气泡和激波（见X射线图象）。星系团的中央星系，也就是12等的NGC 1275在可见光图象（右图，图片提供：Jeff Cremer/Adam Block/NOAO）中占支配性地位，它在可见光波段大小与X射线一样，是4.7角分（对于星系团2.5亿光年的距离来说，这相当于350000光年）。
如果没有任何其他效应，这一过程将产生冷却流，也就是星系团中央的辐射气体变得冷而密，来自更外层部分的热气体流入并占据了它的位置。在室女星系团这样的富集星系团中，星系团内介质的辐射速率说明，每年应有数百万倍太阳质量的冷气体流入中央星系M87中。
当气体变得足够冷（一般来说是几十至几百开尔文）时，它就会形成分子云——这是滋养恒星的沃土。因而我们应该预期观测到每年诞生于这片冷气体的上百颗恒星带来的显著特征。至少我们也应该预期观测到M87周围漂浮的大片冷气体云。而这片冷气体云中哪怕只有很少一部分落入星系中心并坠入黑洞中，我们应该能看到比我们所见喷流强100倍的焰火表演。
在一些星系团中，团内介质被挖出了庞大的空穴，空穴直径有几十至几百光年，雕琢它们的是从体积不大于太阳系的黑洞抛出的喷流。左图：这幅视场为4.2′的假彩色图象展现了MS 0735.6+7421的团内介质（红）和喷流（蓝），MS 0735.6+7421是位于鹿豹座的星系团，它发出的光要花费26亿年才能抵达地球（图片提供：NASA/CXC/Brian McNamara）。右图：这张钱德拉X射线天文台拍摄的2.7′视场假彩色照片展现了长蛇A中的热气体，长蛇A是距离我们“只有”8.4亿光年的星系团（图片提供：NASA/CXC/SAO）。
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