特大质量黑洞：塑造周边环境
意外的沉默
我们没有见到这些。虽然在1980和1990年代，有数百名天文学家作出了实实在在的努力，但我们没有找到这些冷物质的迹象，尽管我们见到了来自冷却气体的X射线！在过去的4年中，NASA的钱德拉X射线天文台和欧洲空间局（ESA）的XMM-牛顿卫星作出的测量表明，气体在温度降至1000至2000万开尔文之后就停止了冷却。
只有一条路可以摆脱这个谜题：某种事物必定使中心区域的星系团内介质加热，从而抵消了冷却过程。然而，只有很少几个源的能量强到足以平衡X射线冷却，也就是说一个典型的星系团亮度要1000亿倍于太阳。通过排除的过程，猜疑自然落在了由各个星系团中央星系特大质量黑洞驱动的流出物和喷流头上。
如果没有坚实的证据，关于黑洞（与星系团相比计划是个小斑点）能加热星系团内介质从而阻止冷却流的观点是难以为人接受的。虽然我们仍缺乏决定性的证据，但非决定性的证据却在增多。
如果没有强大的能量输入，我们可以认为，热的星系团气体将在10亿年间抹平自身。相反的是，来自钱德拉和XMM-牛顿的X射线图象展示了许多星系团的团内介质中有着气泡、激波、涟漪和细丝。所有这些特征看起来都是与中心黑洞流出物之间发生强有力相互作用的信号。星系团并不象20世纪大多数天文学家预计的那样平和。相反，它们狂暴而强有力。
星系团—喷流的联系
具有讽刺意味的是，星系团中央星系特大质量黑洞在向流出物输送能量的时候却限制了自身的生长。如果流出物不存在，星系团内的气体将会冷却，其中的一部分最终将落入中央星系，进而落入黑洞中。但是，如果没有落入黑洞的气体，将没有产生喷流的能量！由于这个表面上的悖论，理论家设想了黑洞与星系团间精细而随时间变化的相互作用。
在这一图景中，当特大质量黑洞被一些气体（甚至可能是在大爆炸后不到10亿年内就环绕黑洞的原初气体）围绕之后，落入黑洞的物质就足够形成吸积盘了。物质沿螺旋状路径靠近黑洞，使磁场卷曲，这导致当其他物质落入视界时，另有部分物质沿黑洞的自转轴被抛出。流出的气体加热了星系团内的气体，阻止了冷却流，并最终使黑洞自身因缺乏额外的燃料而挨饿。
当物质沿螺线靠近黑洞时，它的自转导致它变扁，形成吸积盘。哈勃空间望远镜拍摄的这些图象展现了室女座11等椭圆星系NGC 4261（左图，图片提供：Laura Ferrarese/NASA）和狐狸座13等椭圆星系NGC 7052（右图，图片提供：R. P. van der Marel/F. C. van den Bosch/NASA）中心富尘埃边缘上这样的盘结构。甚至对哈勃的分辨率来说，特大质量黑洞（被认为处在每个盘的中央）都因过小而不可见。
黑洞的基本能源被剥夺，流出的物质流减弱，这使得星系团中央的星系团内介质再度冷却——这使得更多的气体流向内部，恢复了黑洞驱动的喷流。黑洞在上亿年的周期里接连经历着狼吞虎咽与饥饿状态，在宇宙的年龄尺度内循环重复多次。
这些回输效应可能对相当宽的黑洞与星系质量范围都适用。出于各因素间某种仍不为人所知的结合，中心黑洞的质量与其宿主星系的核球质量似乎在很宽的质量范围（相差1000倍或更多）内相互关联。
特大质量黑洞并非孤零独立于宿主，相反它们看起来与星系演化有着密切联系。这些图表上绘制了星系中央黑洞质量的测量数据与这些星系核球的两个性质之间的关系：绝对星等（左）与速度弥散（右）——而这二者都是核球总质量的指针。（图片提供：John Kormendy, University of Texas）
然而，这种反复开启关闭喷流过程的很多细节仍是谜团。许多喷流的极端接近光速要求喷流应产生和加速于非常靠近黑洞的区域。而这里恰恰是我们在观测和理论方面都了解得最少的区域。例如，我们并不清楚喷流是在非常靠近黑洞的地方被加速到极高的速度后再减慢，还是在更长的距离内被更缓慢地加速。
此外，理论家已作出了许多未经观测证实的有趣预言。一个最好的例子是Roger Balndford和Roman Znajec在1977年的一篇重要论文中所作的预言：在某些情况下，被高速旋转黑洞周围扭曲的时空连续体拖曳的磁场线实际上能够从黑洞的自转中释放出能量。
英国Warwick大学的Jörn Wilms及其同事使用XMM-牛顿在人马座赛弗特星系MCG-6-30-15中发现了这种时空拖曳过程引人注目的证据，但这些数据仍是不很明确。
不过幸运的是，计算能力的持续高速发展使我们能够去理解这些。关键问题是模拟高度电离化；磁化的等离子体在黑洞附近高度弯曲的时空中行为是什么样的。甚至在不存在弯曲时空这一棘手因素的时候，这仍旧是个复杂的问题。1990年代的先驱性工作，尤其是由弗吉尼亚大学的天体物理学家Steven A. Balbus和John F. Hawley的工作显示，在为气体提供“粘性”以使其可以沿螺线落向黑洞或其他致密天体的过程中，磁场是不可或缺的。
同样，研究人员也越来越接近于充分利用所有适宜的物理定律来模拟吸积盘这一步。甚至现在的模拟工作显示，在接近吸积黑洞的区域会自然而然地形成喷流状结构。
追逐视界
但是正如科学界的通例，最终的裁决人是真实世界。对于有关接近黑洞的气体、黑洞产生的喷流和这些喷流对周围星系及星系团产生影响的观测来说，没有什么可以代替X射线观测了。这是因为黑洞附近和相对论性喷流的能量都以X射线的形式辐射出去。而且X射线的能量高于几千电子伏，较可见光更不易被气体和尘埃厚层（通常包裹在星系核周围）吸收。不过X射线能被我们的大气层吸收（这对生命来说是幸运的！），所以我们需要用航天器搭载望远镜。
对黑洞的X射线观测也许还可以用于在强引力场的情况下精确检测爱因斯坦广义相对论，而目前对此没有直接的观测限制。
好几项太空计划的核心主题是对黑洞和强引力的追寻。日本与美国合作的Astro-E2天文台（将于今年发射）将以空前的光谱分辨率获取星系团的X射线光谱。这将使天文学家们更精细地研究许多星系团中团内介质的组分与运动情况。
高速发展的计算机能力使天体物理学家可以实际模拟环绕着黑洞的吸积盘。这些图象表现的是被磁场穿过的气体盘，视角从侧视（左图）到正视（右图）。盘并非平滑，而是狂暴而快速改变的。未来的X射线空间干涉仪也许能够拍下环绕黑洞的气体盘最内侧的部分。（图片提供：Phil Armitage/Christopher Reynolds）
大约10年后，NASA的星座-X和ESA的X射线演化宇宙光谱仪（XEUS）计划（每项计划都由几架航天器组成单一的天文台进行工作）将提供较当今更大的采集区域。这应该能促使我们对强引力、黑洞对其周围环境以及在宇宙不同历史时期中星系和黑洞形成的了解发生重大突破。
同时，激光干涉仪空间天线（LISA）将成为首架空间引力波探测器。NASA与ESA合作的LISA计划包括3艘独立飞行的航天器，人们期待它能检测出特大质量黑洞与其他任何质量的黑洞相并合时产生的时空涟漪。这不仅仅能够公正地检验强引力的性质，还能给我们提供有关结构起源的观点，以补充星座-X的观测。
最后，我们希望微角秒X射线成像任务（MAXIM）将在它入轨后使用X射线干涉测量技术，这也许是30年以后的事情了。如果成功，MAXIM将以惊人的角分辨率——300纳角秒，比哈勃空间望远镜清晰150000倍——拍下大批黑洞视界附近的清晰图象。这样的发现将成为爱因斯坦的观点的终极检验。
1918年，Heber Curtis并不知道他的发现将最终帮助人们改变心中黑洞的图景。黑洞本身无疑是独行侠，但它们对其维系的系统——它们所处的星系和星系团——的发展却有着重要影响。如果一切进展顺利，今后10年中对该现象的观测和模拟将革新我们对极端时空的理解——一声来自它们卑微起源（一个叫做M87的星系伸出的奇特直线）的大声呼叫。
Cole Miller和Chris Reynolds是马里兰大学的天文学教授，Anita Krishnamurthi是NASA的空间科学教育家。
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