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黑洞在星系形成和演化中的作用
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A. Cattaneo等人 文 Shea 编译 |
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包括我们的银河系在内，所有的大质量星系中央都有一个质量从数百万到数十亿个太阳质量不等的黑洞。这些黑洞的生长会释放出巨大的能量，驱动着类星体以及其他的活动星系核。如果宿主星系吸收了这些能量中的一小部分，那么通过加热并且抛射出周围的气体，宿主星系就会终止恒星形成过程。星系演化中的一个核心问题是，通常在只含有少量低温气体和年轻恒星的大型椭圆星系中，这一过程到达什么程度会造成恒星形成率的下降。 星系可以被分成两大类：“足球形”的椭圆星系和“盘状”的旋涡星系。旋涡星系中含有大量会形成恒星的低温气体，而在椭圆星系中气体的温度则过高无法形成恒星。因此，椭圆星系缺乏通常在旋涡星系中可见的年轻蓝色恒星，并且一般偏红。而旋涡星系也具有结构和微型椭圆星系类似的中央核球。由于这一相似性，因此后文中的“核球”一词既指旋涡星系中的核球也指椭圆星系，不加区分。 每一个核球的中心都有一个黑洞，它的质量正比于核球中的恒星质量，大约为核球的千分之一。黑洞和核球也大约形成于相同的时期。观测显示，黑洞和核球的形成是紧密联系在一起的。落向黑洞的物质会以光子和带电粒子喷流的形式释放出相当于其质能10%的巨大能量。即使仅有一部分微小的能量（小于1%）被释放到核球中，它也会加热并且吹散所有的气体成分，由此解释了为什么核球中没有恒星形成。 天文学家的目的就是要在宇宙学的框架下认识这些观测。在标准的图像中，宇宙物质的绝大多数是由暗物质构成的，它们的性质至今未知。组成气体和恒星的质子、电子和中子则占据了宇宙物质的其余部分。它们和暗物质之间仅仅通过引力相互作用，而引力也决定了宇宙在大尺度上的演化。从大爆炸开始宇宙中就出现了微小的不均匀性。它们通过引力吸引周围的物质最终生长成了物质团块，被称为“晕”。在这些晕中辐射冷却和引力加热之间的竞争决定了气体的命运。在小质量的晕中，冷却占据了主导。通过低温气体流，被吸积的气体落向晕的中心，形成盘和恒星，星系由此开始成形。但是，当晕的质量增大超过一万亿个太阳质量这一临界质量之后，加热便占据了主导，星系无法再吸积气体。晕之间的并合会形成更大型的晕，其中会包含十几或者甚至数百个星系，它们分别被称为星系群和星系团。在晕中星系间的并合会使得星系盘转变成核球，并且这一过程对于星系来说也是其停止吸积气体之后生长的唯一途径。  尽管在观测上活动星系核和并合之间的联系还有争议，但是对于仍然在吸积气体的星系间的并合，气体会落向中心引发星暴，并且哺育黑洞快速生长。黑洞会以向周围的气体回馈能量来对此做出回应。这些能量会形成风，它们会通过挤压气体来加快恒星的形成。在最剧烈的情况下，所有的气体都会被吹散，因此黑洞的生长和恒星形成会戛然而止。计算机模拟显示，对于解释为什么椭圆星系是红色的来说这一现象是必需的。巨椭圆星系的化学成分也暗示，其恒星形成过程是短暂的。这是另一个需要考虑存在一种机制能使得恒星形成突然终止的原因。 在已经停止吸积气体的星系中，恒星形成和黑洞吸积的主要阶段已经过去，但即便是较弱的活动星系核通过它们喷流的力学作用也能在高温气体中打开一个较大的空腔。在这种“维持模式”中，通过连续的小型事件或者间歇性的类星体活动，黑洞和高温气体会耦合在一起，并且不断改变吸积率来为维持一个恒定的温度提供能量。这一循环的最强有力证据来自星系团。它会大幅度降低中央星系的气体冷却率和吸积率。 这些发现导致了星系形成的多样性，而黑洞则在其中起到了主要的作用。为了在星系形成的宇宙学理论中了解椭圆星系的质量、颜色以及结构特性，建立这些效应的模型就是必需的。 红色椭圆星系形成中的黑洞 在其所处核球中，黑洞的质量和恒星质量以及恒星的速度弥散紧密相关。这一相关性预示了黑洞形成和核球形成之间的因果关系，但对此的解释可以有两种途径。 在第一种解释中，由富含气体的并合以及盘的不稳定性而被输送到星系中央的气体既哺育了黑洞也哺育了恒星，因此黑洞吸积和恒星形成可以一起进行。当恒星形成耗尽所有气体的时候，黑洞的吸积也会终止。在极亮红外星系、类星体、近距赛弗特星系中观测到恒星生长和星暴之间的相关性支持了这一理论，它解释了为什么黑洞的质量会和核球的成正比。 在第二种解释中，当黑洞向外吹散其宿主星系中的所有气体时，恒星形成便终止了。对于一个给定质量的黑洞，对此有一个最小的阈值，即爱丁顿极限。在这个极限之上，向外的辐射压会超过向内的引力，推动气体向外运动。速度弥散则是核球的特性，由于它决定了开始向外驱散气体的地方位于引力势阱中的深度以及所需黑洞的最小质量，因此它和黑洞之间具有非常紧密的联系。 活动星系核把能量输送到周围气体的效率决定了上面的哪个解释更接近物理实在。来自活动星系核的光子和喷流会通过两种形式驱动风。它们可以加热气体并且造成它膨胀（热能驱动风），或者它们可以向外推动气体（压力动量驱动风）。光子通过光致电离金属——但铁即使在高温下也能保留其内层电子——或者康普顿散射来加热气体。只有在距离黑洞适中的距离上，作用在电离气体上的辐射压才是重要的，因为也正是在那里决定了爱丁顿极限。但是由于尘埃具有很高的吸收截面，因此作用在尘埃上的辐射压即使在星系的尺度上也很重要。共振吸收是另一种向气体转移动量的机制，也许它可以用来解释在具有宽吸收线的类星体中出现的高速风。喷流则可以通过激波加热产生由能量驱动的风，它也可以通过压力产生由动量驱动的风。 所有这些过程的效率都很低且很难量化：即使在高温下仍能保留部分电子的金属在气体中的含量很少；只有在窄波段下光致电离的截面才比较大；康普顿散射只能把少量的光子能量传给电子；喷流则倾向于脱离它们的宿主星系并且把它们的绝大多数能量带到星系之外。通过辐射压从光子向气体转移动量是唯一一个可以达到几乎100%效率的过程，但是尘埃必须要占据较大的立体角。由于光子是无质量的粒子，因此相对于其他能量形式光子相对较低的动量也会限制通过这一机制抛射出的物质质量。如果一个活动星系核辐射出光子的动量100%地传递给了气体，那么它最多可以抛射出相当于核球恒星质量大约10%的气体，而核球中恒星的质量通常就等于在富含气体的并合结束时所留下的气体总质量。热能风和辐射压驱动的风模型已经被用来计算黑洞质量和核球速度弥散之间的关系。但是，这并不是一个可以用来进行鉴别两者的测试，因为两者都可以和数据相符。 可见光/紫外和X射线光谱仪确认了类星体可以把风加速到每秒数千到数万千米。它们在短时标上的变化则说明它们来自星系核而不是星系风，但是观测也发现了一些在数千秒差距尺度上的风。集成视场光谱仪也探测到了和高红移射电星系喷流平行的、速度为每秒数千千米的偶极风。 仅有活动星系核风的存在并不能证明它们的恒星形成过程突然终止了，但是对于星暴后星系的观测发现其中三分之二的具有速度在500-2,000千米/秒的风。这一速度要比通常在星暴星系中观测到的要高。因此，这说明后星暴星系中恒星形成过程的突然终止可能和星系核心活动有关。 在探测近距星系的斯隆数字巡天中，产星、“活跃”和“不活跃”的椭圆星系从蓝到红在星系颜色-质量图上形成了一个序列。对此的解释是，当黑洞在生长的时候，恒星形成率就会降低。但是，在斯隆数字巡天的所有星系中，恒星形成率看起来似乎是逐渐降低的，并没和任何剧烈的事件有联系。在高红移下这一情况可能会有所不同，那里的星暴星系和类星体更普遍，活动也更强，而且在巨椭圆星系的前身体中恒星形成持续的时间也不会超过10亿年。 星系团中的黑洞 在大质量星系、星系群和星系团中的气体温度非常高，会发出大量的X射线。解释这些气体为什么没有快速冷却的问题被称为“冷却流”问题。在星系团中这个问题已经被深入地研究了，因为那里的观测限制非常强。 能发出X射线的星系群和星系团可以分成两类：X射线表面亮度往中心方向陡增的系统和表面亮度分布较平滑的系统。由于选择效应90%的X射线星系群属于前者，除此之外还有晕质量小于100万亿个太阳质量的星系团以及50%晕质量大于100万亿个太阳质量的星系团。单位体积的气体光度正比于气体密度的平方和气体的冷却函数，而冷却函数又和气体的温度以及化学组成有关。X射线光谱显示，气体的温度总是和位力温度相当，也就是说气体在引力作用下处于平衡状态。因此这两种星系团的区别必定就在于它们的密度分布轮廓上。 在第一种星系团中，气体具有很高的中心密度，星系团核心热辐射时标通常小于10亿年。因为温度会往中心方向降低，因此这些星系团被称为“凉核”星系团。但是，凉核星系团并不是“冷核”星系团，因为它的温度只会下降3倍。由于没有铁ⅩⅦ谱线或者很弱，，因此推测在这一温度下辐射冷却的气体总量要比从由X射线热损失估计的少10倍。由于气体发出辐射但并不冷却，这里一定存在一种能量输入补偿机制。 进一步的证据来自X射线光度和由X射线数据测量出的气体温度之间的关系。当温度大于3千电子伏特的时候，轫致辐射是主要的辐射机制，再以晕的密度调整过气体的密度之后，所有星系团的X射线光度应该会正比于位力温度的平方。光谱观测已经确认了气体温度等于位力温度，但是X射线的光度却和位力温度的立方成正比。当位力温度小于3千电子伏特的时候，由于密度下降，这一情况更为严重。对于一个给定的温度，密度越低说明熵越高，而增加熵的唯一办法就是加热。 在0.1个晕半径处星系团通常的过剩熵为10万电子伏特平方厘米。对于绝对熵较低的小型星系，这个数字更高。这个问题在凉核星系团和非凉核星系团中都很普遍，并且会影响大量的星系团内介质。通过预加热最后会变成星系团内介质的星系间气体，在巨椭圆星系的前身中类星体风终止恒星形成过程可以用来解决这个熵问题，但是它们无法解决在凉核星系团中央区域中的冷却流问题。在这些系统中，冷却时标非常短，因此至少每一亿年就需要加热一次，这样才能维持这些系统目前的状态。这一对定期加热的需要和在低红移宇宙中类星体的不足形成了矛盾。 但是，凉核星系团中70%的星系团中央星系是较弱的活动星系核——边缘暗弱的射电星系。它们的活动模式有别于类星体，更接近持续的小型星暴。在许多低吸积率的活动星系核中，黑洞周围的气体密度并不足以有效地辐射，几乎所有的能量释放都以喷流的形式出现。这些天体非常低的光学光度也是它们长期以来被低估的部分原因。 射电星系的重要性在X射线气体里发现空腔之后开始显现出来，它们最早被发现于英仙星系团以及其他拥有较弱活动星系核的星系团中。这些空腔是喷流射电同步辐射等离子体取代周围发出X射线等离子体的地方。这些空腔出现在了超过70%的凉核星系团中。尽管可能由于时间久远并且缺少高能电子使得其中一些没有高频射电辐射，但是它们通常都是同步辐射区。  从这些空腔的体积以及星系团内介质的压强，可以估算出喷流形成它们所需要做的功。对于准静态膨胀，这个功就等于体积和压强的乘积。但是，由于空腔具有瑞利-泰勒不稳定性，它们形成的时标不可能远大于声速穿越的时标，否则它们在形成之前就会被瓦解。同时，这个时标也不可能远小于声速穿越的时标。否则它们会被强激波所包围，只能观测到极少数。由于空腔是非准静态膨胀的，膨胀的射电瓣对周围气体所做的功必定会大于空腔的体积和介质压强之积。它还会造成激波和其他的扰动，这些都可以加热星系团内气体。分析计算和数值模拟都显示其所做的功是准静态膨胀的10倍。 除了射电瓣对周围气体所做的功之外，还有射电瓣中的相对论性粒子（宇宙线）本身所具有的能量。尽管观测显示这些空腔会在星系团内介质中存在相当长的一段时间，但如果同步辐射等离子体和X射线等离子体最终混合的话，这些能量也会加热星系团内介质。 于是，产生这些空腔所需的最小能量就是准静态膨胀对周围气体所做的功和宇宙线能量之和。对空腔的观测发现，这一能量和在声速穿越的时标下X射线所辐射出的能量相当，出入在4倍以内。因此，由喷流注入到空腔中的能量和补偿冷却所需的能量相等。这一平衡状态说明存在一个自我调节机制。这可能是由于黑洞就像是一个恒温器，可以感知邦迪半径上气体的熵。而邦迪半径正是黑洞引力作用的边界，在那里气体下落的速度正好等于声速。对于球形吸积，黑洞的质量和在邦迪半径处的熵整个由黑洞的吸积率来决定。如果在球形吸积模型——一个已经被观测数据直接证明了的假设——下计算出的注入空腔中的能量正比于黑洞吸积率的话，那么就会有更多的气体冷却，中央的熵也会降低，喷流越强加热率就越高。 星系团内介质的熵也显现出了喷流加热的重要性，在具有延展射电源的星系团中其内部介质的熵要高于只有点状射电源的星系团，后者的喷流还没有来得及转播并且加热气体。拥有点状射电源的星系团特性事实上和无加热情况预言的相符。 问题是，注入星系团的能量是如何转化成热的呢？强激波看起来似乎是最自然的一种机制，但英仙星系团中射电瓣明亮的X射线边缘和其他射电星系的温度都要比它们周围的低。此外，如果被加热区确实比星系团核心要小的话，就会引发对流。相反，星系团的熵分布虽然梯度很小，但并不为零。这说明，中央气体会抑制对流保持稳定，即使在气体金属性轮廓较宽的情况下也是如此。射电源所处的不同阶段可以用来解释其缺少强激波以及对其他加热机制的需求。在短暂的活跃期中，喷流会使得空腔膨胀，而激波也是主要的加热机制。如果在这一阶段结束之前喷流可以穿越星系团的核心，那么激波加热就可以在整个核心区几近均匀地增加熵。在喷流停止之后，射电瓣会通过上升的浮力继续对星系团内介质做功。即便黑洞并没有在吸积，流体力学运动和激波加热也会在大范围内产生热量。 加热并不是活动星系核防止低温气体在星系团中心积累的唯一手段。喷流和上升的气泡也会从中心区把低熵的气体输运到外部。最终这些气体会再一次下落，但新的气泡也会再一次产生并且把它们带走。这可以解释在英仙星系团的空腔周围所探测到的纤维状低温分子气体。 星系演化中的黑洞 巨椭圆星系和星系团一样存在相同的冷却流问题，而且它对可冷却并且形成恒星的气体总量甚至有着更强的限制。巨椭圆星系的星族、化学丰度以及结构特性显示，自这些星系形成以来只有少量的气体落入了它们的中心并且形成了恒星。 因为即使忽略晕中的高温气体，在宇宙年龄的时间跨度上大质量恒星在演化的最后阶段会向星际介质中返还总质量的大约30-40%，因此在巨椭圆星系中冷却流问题比在星系团中更为严重。即便只有很小一部分来自死亡恒星的气体被吸积，也会导致黑洞的质量比观测到的要大得多。 当把对星系团的解释用到星系中的时候，会遇到在星系尺度上喷流通常是准直的情况。因此，它们会穿透附近的气体把绝大多数的能量输送到产生喷流的星系之外，且只有在2,000个秒差距之外对气体的加热作用才是重要的。即便在英仙星系团内，喷流似乎也没有在它的中央星系（蓝色的星系团中央星系）中抑制恒星的形成。由于缺少加压气体而很难束缚喷流，因此不在星系团中心的星系情况更糟。没有了这一限制，喷流就会在星系间毫无用处地耗散自身的能量。但是，也有一些反例，喷流会对星系尺度上的高温气体产生影响。此外，喷流也可能会把能量传递给星际介质。例如，星系M87的喷流中的结点就是喷流和星际介质相互作用的证据。尽管还存在这一问题，但有意思的是，部分拥有点源的星系质量会和黑洞质量有关，就像用气体冷却率估计的一样。同时，喷流的平均功率和气体的X射线光度相符。如果喷流无法和周围的气体相互作用并且保持它们的高温，那么冷却作用最终会激活光学活动星系核，它可以通过辐射来加热气体。  当物质落向星系深处的时候它们所做的功会导致引力加热作用，就像小型椭圆星系中的I型超新星一样引力加热也会加热气体。但是，这些能源对于辐射流失率的改变反应很慢。要么它们会以比冷却率还低的效率加热气体，由此导致气体最终冷却，要么它们会以比冷却率高的效率来加热气体，由此驱动外流。这些气体可能会出现在低质量椭圆星系的外流中，在那里离散的源主导了X射线辐射，因此通常无法探测到辐射X射线的气体。但是在对巨椭圆星系的X射线观测显示，这些气体是处于流体静力学平衡的。引力加热和I型超新星会减轻活动星系核的负担，它只要提供弥补保持气体平衡所需的加热率和其他能源所能提供的加热率之间的差值即可。 尚存的问题 黑洞反馈的最强证据来自星系团，但是我们仍然对活动星系核如何把能量转移到周围气体中以及由膨胀的喷流和上升的气泡所导致的流体力学扰动加热缺乏足够的了解。标准粘滞、湍流粘滞、磁力线的拉伸和断裂以及宇宙线都有可能会对星系团内介质产生加热和/或提升作用。在一级近似下，通过加热，黑洞可以对吸积率进行自我调节。虽然和利用纯冷却流模型预言的比效率低得多，但是一些气体确实在冷却并且在向星系团的中央星系流动。在25%的星系团中，这些气体会再一次激活恒星形成过程，导致形成蓝色核心的星系团中央星系。对于理论模型和计算机模拟的一个主要挑战是定量地了解为什么真实的星系团和“理想”的反馈回路之间会有差别。 相比于射电星系和星系团內介质的相互作用，射电星系和星际介质的作用更不为人所知。在辐射反馈的情况下，其与星际介质的相互作用已经很好地被研究了。主要的问题是，辐射反馈是否能在不超过对活动星系核比例观测限制的情况下提供“维持”单个椭圆星系所需的能量。 最大的不确定性来自类星体风对于终止恒星形成的作用。原因是通过光谱探测出的风质量会有超过一个量级的出入。在整个红移范围内完善对风质量、尺度以及温度结构的估计是对观测的一大挑战。此外，还需要更好地了解正在从蓝色向红色转变的星系的性质。 最后，值得注意的是，计算机模拟显示需要类星体来终止恒星形成，但是这些模拟是建立在不确定的恒星形成模型和星际介质物理之上的。在最终确定真的需要类星体反馈之前，必须加深对这些过程的认识并且提高数值模拟的分辨率，对于恒星形成率在更长时标下下降的低质量椭圆星系而言更是如此。 |
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出自：Nature
发布日期：2009-07-09 |
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2001-2009 火流星工作组制作
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