远在天马座星云之外,有一个银河中绝无仅有的能源。
天文学家们想把在银河中心发现的那个东西称为“致密源”,以便把它记载下来。但事实上,现在许多天文学家认为它是一个质量比太阳还大一百万倍的黑洞。
没有——也许永远不会有——确凿的证据证明,厚厚的星际尘埃和气体的带所遮蔽住的这个银河中心远离我们有30,000光年。但五年来在射频、红外线和γ射线波长上收集到的资料已使人不得不相信这个事例是黑洞。在美国物理学会最近于华盛顿特区举行的关于银河中心的一次专题讨论会上,圣地亚哥加利福尼亚大学的R. 林格费尔特的观点赢得了普遍赞同,他宣称:“确实发生了离奇的事情。”会上贝尔实验室的M. 利弗塞尔反问道:“对于银河中心的独一无二的东西,还需要证据吗?”“是的”,他回答说。他的结论没有引起同行的异议。
银河中心位于人马星座,它是天空中最明亮的射电源。(事实上它是1932年以来发现的第一个地球外射电源。)可是,多少年来它一直是个谜。射电望远镜的分辨能力太差,所以我们还得不到多少关于它的观察资料。光学望远镜或许好些,但它们观察这中心的视线被银河平面上的气体和尘埃的云挡住了。而地球的大气对其他波长都不透明。
然而,在二十世纪七十年代,类星体理论开始提供新的线索。人们越来越有把握相信,这些星体既离我们非常遥远,又极其明亮。其中有的星体的亮度可能是太阳的100万亿倍——是整个银河的一千倍。除了某个未知的物理原理而外,这种惊人的能量输出的最好解释是,假设有一个黑洞嵌埋在一个其他方面正常的星系之中。
气体和尘埃从这星系的中心区域螺旋式地进入这样一个洞穴之中,它们被压缩并加热,在最后落定之前其质量大部转化成辐射能。详细的计算表明,这种方式对于质量转化成能量是非常有效的——远比聚变或裂变为好。如果一个黑洞足够大,或许是太阳的二十亿倍,那么其能量输出实际上可能接近类星体水平。
这个模型还可解释从许多类星体喷射出来的长长的喷射物质。当物质落向黑洞时,其角动量趋于将它卷成盘状。随着它向内旋转,其温度和压力上升;最后,有些物质像相对论性的喷注一样沿着圆盘的轴喷射出来。一个旋转的黑洞将会引起圆盘振动且产生螺旋喷注,颇像一个草坪喷水器产生的水螺旋。这种喷注事实上是可以看到的。
另外有些发光天体似乎也适合这种图式。例如Seyfert星系,它们除了有极其明亮的核心以外,看来就是正常的星系。虽然它们比类星体致密得多,亮度也弱得多,但它们的光谱显得非常相似。或许它们在中间部分正是具有较小的黑洞,或许Seyferts是行将完结的类星体,而它们的巨大黑洞从中心区域驱除了如此多的物质,以致没有留下什么物质。
不论哪神方式,反正都引入去从类星体和Seyferts外推到像我们银河一样的正确星系。也许每个星系都包含一个中心黑洞。或许这些黑洞是在大爆炸之后很快地以某种方式形成的,而每个黑洞又自我包容在宇宙气之中,结果后来凝缩成一个星系。或者,可能先形成星系,但它们的中心星簇是如此稠密,以致最后它们在自身引力的作用下互相碰撞,结合和崩坍。
不过,把这种思想应用到对我们银河的观察检验,则还是直到最近才能做到。红外辐射事实上穿过了星际气体和尘埃。它也可为地球大气中的水蒸气所吸收,但自从二十世纪七十年代中期以来,国家航空和宇航局的一个小型望远镜一直在飞行着;这架小型望远镜装设在一个由C-141型运输机改装的,能在一万多米高空相干燥空气中航行数小时的古比尔机载天文台上。而最近的新消息是,一系列大型红外望远镜已开始工作于干燥的高山基地上、例如夏威夷的毛纳基山。
联合王国的伊恩 · 盖特利向APS会议报告了毛纳基山上的红外望远镜,他说,这些仪器已经揭示出,围绕着星系中心有一薄层硅酸盐雾气。但尘埃似乎是分布成圆环状,而不是弥漫在整个中心区。他说:“说银河系中心本身几乎没有尘埃,这一点不夸张。”
甚至更令人感兴趣的是尘埃的温度(可由其红外亮度推知):环绕着星系正中心的等温轮廓,像一只公牛眼睛似的。虽然这温度是低的仅K氏几百度,但总发光度极其大,几百万倍于太阳发光度。
盖特利说,像有些天文学家所已提出,这全部能量可能来自一簇密集的炽热新星。他提出,“但你得把大约一千颗新星纳入一个方圆约一光年的范围之中。这种星簇是很难解释的。”
他下结论说,“关于这一点我吁请大家注意,这一切辐射都来自这儿[公牛眼睛的中心];这辐射源极其明亮;这不能归因于恒星;它来自星系中一个独一无二的区域。”
1979年,国家射电天文台(NRAO)在新墨西哥建成了一个宏大的射电望远镜阵列。这个具有二十七根活动天线的Y形阵列在分辨能力上大大超过以前在射频上所可能达到的程度。由NRAO的R. L. 布朗在华盛顿会议上介绍,它在银河系中心的图像是令人赞叹的,范围大约有三光年的螺旋状图形以一个极其小的光源作为中心。出现时,这个光源正恰巧位于盖特利的牛眼的中心。
布朗说,在这螺旋图形中的气体看来正从这中心光源向外流出来,其速率约为一千年一个太阳质量;其速度在每秒350公里以上。在这螺旋的一条臂上,气体正向地球靠近;另一条臂上,气体又在退离。他说,这是讲得通的,如果这光源发射出一对方向相反的、具有约为2300年的振动岁差期的喷流的话。
同时,这光源本身的发光强度逐日发生很大的变化,但在分的时间标度上,则变化很小。因为动力学效应不可能比光的运动快,所以布朗推断,这光源的范围肯定是在10光分和1光天之间,换句话说,它比地球的轨道还大,但比太阳系大不了多少。他说,“我们断定,这中心天体必定发生引力崩坍,而那就是黑洞。”
在光谱的另一端,由银河中心发射出来的硬X - 射线和γ - 射线也被大气吸收。但自1977年开始,贝尔实验室和沙蒂尔实验室的一个联合小组已向澳大利亚的艾利斯斯普林斯上空发射丁三个科学气球飞行器,专门用来研究这个区域。结果发现了在银河中最强的γ射线源。而且整整有一半能量是以511千电子伏光子(由电子和正电子湮没形成)形式存在。喷气推进器实验室的A. S. 雅各布森利用NASA的高能天文台3(HEAO-3)从1979年的轨道证实了这个结果。
但在1980年用HEAO-3再一次进行观察时,其发光强度下降至1/3,而到了1981年,这γ - 射线源消失了。贝尔实验室的利弗塞尔说,也许有朝一日它又重新出现,但这种变化已经意味着一个范围不超过半光年的光源。
NASA的戈达德宇航飞行中心的林格费尔特和里维 · 拉曼蒂认为,湮灭辐射来自高能射线互相碰撞产生的正负电子对。他们的计算表明,其他过程既没有足够的效率产生光谱中如此高的511千电子伏光子,也不会产生观察不到的附加辐射。另一方面,他们还认为,这发生区域必定不超过约一千万公里——略大于地球轨道的大小。否则,背景γ - 射线的发光强度会过高。
林格费尔特说,“这些要求同一个环绕黑洞的生长环的模型极其一致。”在这些模型中,为产生正负电子对所需要的是在盘的最里边缘处的热等离子体发射出来的。可惜,我们无法知道这γ - 射线究竟是均匀地向各个方向发射,还是以某种什么方式形成射束?因此,观测资料是同一百到一百万倍于太阳质量的黑洞相一致的。
[Science,1982年5月21日]