黑洞名声不佳，这在许多方面是罪有应得的。它们是人类已知的效率最高的破坏引擎。它们强大的引力是任何过于靠近的物体通往湮灭的单程票；在它们内部是未知的领域，从那里没有旅行者能够返回。我们之所以能看到它们，仅仅是因为受害者不会默默地走向灭亡。落入黑洞的物质可以加热到数百万度并发出明亮的光芒。其部分动能和动量可能会转移到以接近光速向外流动的粒子射流中。各种大小的黑洞都因天文学家在宇宙中观察到的辐射和等离子体齐射而受到指责。
然而，黑洞并非全能。即使是那些在许多星系中心发现的超大质量黑洞——其名称本身就暗示着一个统治星系领地的贪婪怪物——以宇宙标准来看也是微小的。它们通常只占星系质量的不到百分之一，而且它们的引力高度集中。因此，天文学家长期以来认为，超大质量黑洞，更不用说它们较小的表亲，对它们直接邻域以外的地方几乎没有影响。人们认为，星系中更远处的恒星形成遵循着不同的节奏。
因此，过去十年中，黑洞活动和恒星形成密切相关的现象令人惊讶。在许多黑洞贪婪地吞噬物质的星系中——产生一种天文学家称之为活动星系核 (AGN) 的现象——恒星以惊人的速度形成，这种现象被称为星暴。这两种看似不相关的过程如何如此密切相关？
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今天，AGN-星暴联系是一个革命性的研究领域。美丽的哈勃太空望远镜图像使天文学家能够剖析星系核心的复杂事件，钱德拉 X 射线天文台正在窥探哈勃望远镜无法看到的区域，理论家们正在努力理解这一切。这项研究关系到天文学中最基本的一些问题：黑暗的早期宇宙是如何被数十亿颗恒星点亮的？超大质量黑洞是否需要帮助才能变得如此巨大？它们能否成为创造和破坏的代理人？
类固醇星系
活动星系核和星暴都是宇宙中最壮观的现象之一。AGN 是星系中心一个发光且紧凑的光源。类星体是最极端的例子。AGN 释放的功率相当于十亿到万亿个太阳，可以超越其宿主星系的其他部分。人们认为为其提供能量的超大质量黑洞，将其百万到十亿倍太阳质量的物质压缩在小于太阳直径 1,000 倍的区域内。就像坠落的岩石一样，螺旋向黑洞的物质会加速并在与其他物质碰撞时释放能量。这样做，它会在所有波长上发出辐射：射电、红外、光学、紫外、X 射线、伽马射线。
星暴星系可以与 AGN 的亮度相媲美。在这些地方，气体凝结成恒星的速度相当于每年产生多达 1,000 个太阳——比我们自己的星系目前形成恒星的速度快 1,000 倍。一些星暴局限于相对较小的区域，只有数百光年宽，位于星系中心附近；另一些则发生在更大的尺度上，有时达数万光年宽。星暴通常发生在正在经历或最近经历过与邻近星系近距离相遇或合并的星系中。两个星系之间的潮汐力扰乱了气体并导致气体向内坠落，大大加速了星际云坍缩并形成恒星的正常过程。星暴通常持续约 1000 万年，然后耗尽气体（字面意义上）。
与 AGN 类似，星暴星系在很宽的波长范围内发光。它们的大部分功率输出仅仅是已形成恒星的光芒。星暴往往是特别明亮的红外辐射源，红外辐射是在星际尘埃吸收并再辐射星光时产生的。星暴也会产生大量的 X 射线，这些 X 射线从大质量恒星中涌出，尤其是在它们死亡时。大质量恒星会以一声巨响结束：超新星爆发，它直接产生 X 射线，散射热的 X 射线发射碎片，并留下中子星或小型黑洞，能够吞噬伴星并喷射 X 射线。周围的星际气体，被所有恒星活动加热，也会释放 X 射线。
AGN 与星暴以某种方式联系起来的想法并非由单一的惊天动地的发现引发，而是缓慢演变而来的。它可以追溯到天文学家仍在争论是什么为 AGN 提供能量的时代。尽管今天几乎所有人都将 AGN 归因于超大质量黑洞，但就在 20 年前，情况还不太明朗。包括剑桥大学的罗伯托·特勒维奇和欧洲南方天文台的豪尔赫·梅尔尼克在内的研究人员认为，AGN 是一种星暴。对于当时的望远镜来说，年轻恒星和超新星碎片的紧密结看起来就像一个超大质量黑洞。
联系的理由
这个概念只是在 20 世纪 80 年代后期才失宠，因为在多个波长下运行的更高分辨率的望远镜开始揭示 AGN 有多紧凑：最多几光年宽，可能只有几光分钟宽，太小而无法包含星暴。即使整个恒星团能够塞进如此小的空间，恒星也会迅速合并在一起并坍缩成黑洞。此外，AGN 往往伴随着快速移动的物质射流——黑洞会自然产生，而星暴则不会。
尽管 AGN 和星暴被证明是不同的现象，但这些讨论使天文学家更容易接受它们可能以某种方式相关。现在，几个观测证据支柱指向了这种关系。这些发现种类繁多，表明这种联系对宇宙产生了普遍的影响。
第一个证据是最直接的。望远镜已经在附近的星系中看到了 AGN 与星暴并存。这些观测很难进行，因为星系核充满了气体和尘埃，阻碍了我们的视线。这就是 X 射线天文学的用武之地。X 射线可以穿透稠密气体。即使目前的 X 射线望远镜缺乏哈勃望远镜的分辨率，它们通常也能产生更清晰的星系尘埃中心图像。
第二个证据来自约翰霍普金斯大学的蒂莫西·赫克曼及其同事对近 23,000 个 AGN 进行的调查。研究人员没有仔细检查所有这些星系的图像，而是从特定光谱线的强度推断出 AGN 或星暴的存在，将高度电离的氧气作为 AGN 的标志，并将强氢吸收作为星暴的指示。主要结论是，拥有强大 AGN 的星系比没有 AGN 的类似星系拥有更多的年轻恒星。AGN 越强大，星系不久前经历过重大星暴的可能性就越大。简而言之，这项研究证实了 AGN-星暴联系不仅仅是轶事。
第三，AGN 星系并不是唯一拥有超大质量黑洞的星系。天文学家也在不活跃的星系中心探测到了它们。似乎巨型黑洞无处不在。它们大部分时间处于休眠和不可见状态；只有当物质以较大且持续的速度落入其中时，它们才会产生 AGN。德克萨斯大学奥斯汀分校的约翰·科门迪、密歇根大学安娜堡分校的道格拉斯·O·里奇斯通和其他人已经证明了这些黑洞的质量与星系中心恒星的总质量之间存在相关性：黑洞质量约为恒星质量的 0.1%。同样的关联适用于大多数（尽管不是全部）AGN 星系。因此，某种过程将中心黑洞与恒星形成联系起来。挥之不去的差异表明研究人员并未完全理解这种联系。
AGN-星暴联系甚至可能潜伏在仅 24,000 光年之外的地方——在我们自己的星系核心。恒星和气体围绕星系中心快速运动，暴露了集中质量的存在，其质量相当于 260 万个太阳。来自该位置的射电和 X 射线辐射表明该质量是一个超大质量黑洞——不是一个真正活跃的黑洞，而是一个偶尔进食的黑洞。有人假设它像一个迷你 AGN 一样运作，以真正 AGN 百万分之一的速度吞噬周围的物质。尽管它目前没有伴随星暴，但附近确实存在明亮的恒星团。它们可能是几百万年前星暴爆发后留下的。
另外两种证据来自回顾过去。观察者注意到，当宇宙的年龄只有现在的十分之一时，AGN 和恒星形成之间的关系更加密切。那时，两种类型的星系更为常见：超亮红外星系（称为 ULIRG）和射电星系，它们似乎是处于早期形成阶段或正在经历星系合并过程的星系。它们的核心包含大量的——数十亿个太阳质量——寒冷、稠密的气体。它们既是 AGN 又是强烈的星暴的宿主。另一种历史方法涉及遥远而明亮的 AGN——特别是类星体。它们经常生活在混乱的星系中，这些星系扭曲的形状和不寻常的颜色表明它们正在合并并以高速率形成恒星。
最后一个证据来自 X 射线背景辐射，它是宇宙微波背景辐射的一个鲜为人知的表亲。对背景的研究揭示了光学望远镜无法看到的 AGN 群体。这种遮蔽有一个自然的解释：AGN 伴随着星暴，星暴使星系充满了尘埃。
先有鸡还是先有蛋？
AGN-星暴联系可能有四种广泛的方式出现：星暴和 AGN 是同一事物；某种第三过程导致了 AGN 和星暴；AGN 导致了星暴；或者星暴导致了 AGN。
第一种情况是旧观念的有限版本，即 AGN 仅仅是一种星暴。尽管对于大多数 AGN 来说，这个想法被证明是错误的，但它可能适用于其中一些。微弱的 AGN 可能由极端的恒星活动而不是超大质量黑洞产生。活动发生在如此小的区域内，以至于望远镜可能会将其误认为是一个黑洞。关于这种可能性，陪审团仍在讨论中。
第二种情况是，这种联系仅仅是巧合。相同的过程可能为星暴和 AGN 都奠定了基础。例如，星系合并可能会将气体推向新形成的实体的中心，从而引发星暴，并通过为黑洞提供燃料来触发 AGN。有趣的是，理论预测黑洞成长为超大质量（约 1000 万年）所需的时间与星暴的典型寿命相似，这也与两个星系合并所需的时间相似。
然而，大多数研究人员倾向于剩下的两种情况，即 AGN 和星暴存在因果关系。第三种情况假设，现有的超大质量黑洞，与预期相反，对其宿主星系施加了强大的影响。也许黑洞将物质拉向星系中心，从而促进恒星形成。巴黎天文台的弗朗索瓦丝·孔布斯一直支持这种模型。她认为，一旦黑洞就位，气体就会自然地流入星系核，为 AGN 提供燃料。随着气体的聚集，它成为星暴的原材料。该理论非常合理：许多附近的拥有 AGN 的星系的核心也包含尘埃结构，这可能是从外部吸入的物质。另一方面，并非所有这些结构都具有理论预测的形状。
星暴可能不是由物质流入黑洞引起的，而是由黑洞的能量流出引发的。当超大质量黑洞开始吞噬物质并产生 AGN 时，冲击波和射流可能会撕裂星系。气体沿着冲击波阵面堆积并凝结成恒星。钱德拉对半人马座 A 星系的观测表明，大约在 1000 万年前发生了一次大规模的 AGN 爆发，该星系的恒星形成率极高。在该星系的外围，存在一个约 25,000 光年宽的 X 射线发射环，这可能是这次爆炸的冲击波造成的。爆炸与恒星形成事件同时发生，X 射线环与年轻恒星弧重叠。
黑洞先于恒星出现的情况具有有趣的含义。黑洞，而不是恒星，可能是早期宇宙一片漆黑中最先出现的灯塔。此外，一些天文学家认为太阳诞生于星暴期间。如果这次事件是由银河系中的 AGN 引发的，那么我们可能要感谢黑洞的存在。
挖掘黑洞
然而，星暴先于恒星出现的情况具有最强的理论和经验支持。这种联系可以自然地从正常的恒星演化中产生。星暴产生稠密的恒星团，其中恒星碰撞很常见。星团中的大质量恒星迅速死亡并变成中子星或恒星质量黑洞，这些天体聚集在一起。经过数千万到数亿年的时间，它们会积累成更大的黑洞。
或者，大型黑洞可能由类似于我们太阳的轻型恒星产生，这些恒星通常不会变成黑洞。在稠密的星团中，这些恒星可能会经历失控的合并过程，其中恒星碰撞并形成大质量恒星，然后进一步合并成质量是太阳几百到几千倍的巨星。然后，这些巨星坍缩形成质量相似的黑洞。这个过程也需要大约 1 亿年——远小于星系的寿命，并且速度足以解释最早的类星体。
无论它们是如何产生的，黑洞都倾向于沉入星系中心。几个黑洞可以合并形成一个超大质量黑洞。NGC 6240 星系的观测结果证实了这一想法，在该星系中，一对超大质量黑洞正在相互绕轨道运行，注定要合并 [见上方插图]。超大质量黑洞可以通过吞噬周围的物质继续生长。即使是在星系遥远区域形成的星团也可以为中心黑洞贡献质量。由于星系尺度上的摩擦，这些星团会缓慢地损失动能和角动量，这种摩擦是由与星系其余部分的动力学和引力相互作用引起的。它们螺旋向内，最终被潮汐力撕裂。在数十亿年的过程中，这个过程可能会向中心黑洞注入相当于数千万个太阳的质量。星系盘的扰动，例如相互作用或合并，也可能将燃料注入黑洞。
中等质量黑洞
星暴先于恒星出现的模型预测了一个全新的黑洞群体，介于恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间。在过去的 13 年中，这些中等质量黑洞的间接证据以所谓的超亮 X 射线源的形式出现。在附近的几个星系中发现的这些源，其 X 射线功率是中子星或恒星质量黑洞的 10 倍到数百倍。它们可能是光束朝向我们方向的中子星，使其看起来异常强大。但越来越多的证据表明，它们实际上是质量高达太阳质量数百倍的黑洞。
2002 年，两组天文学家，一组由巴尔的摩太空望远镜科学研究所的罗兰·P·范德马雷尔领导，另一组由加州大学洛杉矶分校的迈克尔·里奇领导，在两个稠密的星团 M15 和 M31-G1 的中心发现了中等质量黑洞的迹象。这些星团中的恒星移动得如此之快，以至于需要质量分别为 2,000 和 20,000 个太阳质量的天体才能束缚住它们。这些天体不一定是大型黑洞——它们可能是一批中子星或小型黑洞。但即使是这种情况，这些天体最终也应该合并并产生一个大型黑洞。
美国宇航局戈达德太空飞行中心的托德·斯特罗迈耶和理查德·穆肖茨基发现，其中一个超亮源，位于星暴星系 M82 中心附近，以大约 18 秒的周期闪烁。这种闪烁太慢且不规则，无法来自中子星表面，也太强烈，无法来自围绕此类恒星运行的物质。如果它来自围绕黑洞运行的物质，那么该黑洞的质量可能达到数千个太阳质量。在螺旋星系 NGC 1313 中，当时在哈佛-史密森天体物理中心的乔恩·米勒及其同事发现了两个超亮 X 射线源，它们比恒星质量黑洞更冷。理论预测，黑洞附近的温度会随着质量的增加而降低，因此 NGC 1313 中的黑洞必须比恒星质量黑洞质量更大。
这些候选的中等质量黑洞并非位于其宿主星系的中心，因此它们与 AGN-星暴联系的相关性尚未确定。但是，我对附近的一个星暴星系 NGC 253 的研究提供了一些直接线索。在 1995 年之前，天文学家认为来自该星系的高能 X 射线起源于与星暴相关的热气体。在那一年，我在 X 射线光谱中发现了黑洞的迹象。然而，直到 2001 年，我的同事和我才用钱德拉获得了该星系的 X 射线图像 [见上方插图]。
我们在 NGC 253 内 3,000 光年范围内发现了五个超亮 X 射线源。其中一个，正好位于星系中心，其亮度是中子星或恒星质量黑洞的 100 倍左右，这表明它的质量相当于大约 100 个太阳质量。它可能是一个正在发展成为完全成熟的 AGN 的黑洞。事件的顺序可能是这样的：星暴发生在星系中心附近。由此形成的大质量恒星坍缩并合并，形成轻型黑洞，然后螺旋向星系中心并合并，形成超大质量黑洞的种子。随着星暴逐渐减弱，超大质量黑洞开始为 AGN 提供能量。
研究星暴活动如何影响超大质量黑洞的燃料供应和生长，应该有助于深入了解所有 AGN 中最强大的类星体的诞生。天文学家一直想知道为什么早期宇宙中的类星体比今天的 AGN 更强大。原因可能仅仅是早期宇宙中更频繁地发生恒星形成事件，这引发了更强烈的 AGN。
可以肯定的是，情况可能比一种活动直接触发另一种活动更为复杂。星系可能会在 AGN 阶段和星暴阶段之间循环。当周期重叠时，天文学家会同时看到这两种现象。AGN 和星暴甚至可能同步演化。目前的观测无法判断是 AGN 先出现，还是星暴先出现，还是它们同时出现。这个引人入胜的问题应该可以通过下一代望远镜来解答。
美国宇航局于 2003 年 8 月发射的斯皮策太空望远镜的观测将有助于阐明一些早期星系中的 AGN-星暴联系。通过将斯皮策的红外数据与可见光和 X 射线数据相结合，科学家们将能够确定在星系形成期间是 AGN 还是星暴占主导地位，这可以确定哪个先出现。
AGN-星暴联系可能是宇宙中最极端的代际联系。黑洞代表着逝去恒星的凝聚余烬；星暴代表着充满活力的年轻恒星的诞生。塑造包括我们星系在内的星系，可能需要新旧事物的合作。
作者
金伯利·韦弗是美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家，也是约翰霍普金斯大学的兼职教授。她专门从事黑洞、活动星系核和星暴星系的 X 射线研究。1996 年，韦弗获得了总统科学家和工程师早期职业奖。她也热爱艺术；她的爱好包括唱歌、跳舞和在社区剧院表演。