安德鲁·费边知道什么是热的。这位来自剑桥大学的天文学家通过研究受热气体和天体产生的能量X射线，探测了宇宙最热的角落，包括巨大星系团中炙热的气体。
费边说：“当你有大约 10 万个星系聚集在一起时，它们之间的气体会被巨大的引力挤压，变得非常热，大约 1000 万度。这使得气体发出大量的 X 射线，这就是我们如何看到它的原因。”
发出这种辐射最终会导致这种星系际气体冷却。“气体确实冷却了一些，但并没有完全冷却，这令人费解，”费边说。“一定有什么东西阻止了它。” 费边寻找“那个东西”的探索导致了一个惊人的发现。事实证明，加热是由位于星系团中最亮星系中心的超大质量黑洞引起的。
通过数十年的观测，特别是对天空中最亮的 X 射线发射星系团珀尔修斯星系团的观测，费边揭示了这种加热机制是如何工作的。当一个黑洞旋转，物质绕着它旋转并坠入其中时，构成物质的粒子会发生碰撞，喷射出高能辐射和其他粒子喷流。这些喷流产生震撼宇宙的声波，像扬声器的低音一样向外扩散，提供足够的能量使整个星系团的气体保持高温。此外，通过追踪从黑洞边缘旋转的物质上反射的 X 射线中的扭曲，费边提出了一种测量黑洞自转的方法，这有助于为其改变星系的喷流提供动力。
尽管费边坚称“我们才刚刚开始弄清楚所有这些过程是如何运作的”，但他还是因加深了我们对黑洞在塑造星系和星系团演化中所扮演的角色的理解而荣获 2020 年卡弗里天体物理学奖。
在本次采访中，费边思考了超大质量黑洞内部潜藏着什么，概述了我们对星系演化进行研究的下一步，并解释了类星体如何揭示暗物质的奥秘。
当物质落入黑洞时会发生什么？
“不知道”是答案。物质在坠落的过程中，会穿过我们称之为事件视界的东西。我们外面的观测者无法看到事件视界内部的情况，因为时空本身围绕着黑洞扭曲了。如果你坠入黑洞的中心，你会到达我们称之为奇点的地方。这只是一个礼貌的说法，指的是我们不理解的部分，因为它具有黑洞的所有质量，体积却无限小。在如此极端的密度下，你会遇到量子力学，并且由于我们没有量子引力的解决方案，我们不知道正在发生什么。有人谈论说，如果你有一个旋转的黑洞，那么奇点不是一个点，而是一个环，如果连接到另一个宇宙中类似的环，它就可以充当虫洞。这些都是有趣的问题，但我非常注重观测，而且我目前看不到任何方法来观察这些。但或许有人会在某个时候破解量子引力的问题。我知道有人正在研究它。
黑洞是如何最终位于星系中心的？
据我们所知，所有大质量星系的中心都有黑洞。我们不知道它们是在星系形成过程中的哪个阶段产生的。在早期宇宙中，星系形成始于暗物质。由于暗物质不与普通物质发生碰撞，因此它能够形成团块，然后冷气体落入这些团块中，形成星系。但我们不知道第一个黑洞是如何形成的，也不知道它们在哪里形成的。这很可能在未来几十年内被能够真正开始看到第一颗恒星和第一个黑洞的望远镜解决。在它们形成之后，这些黑洞会对周围星系的演化产生深远的影响。它们可以通过推开气体来阻止新恒星的形成，或者它们可以通过压缩其外流中的气体来促进新恒星的形成。星系演化过程中可能会多次发生这种恒星形成开始和停止的循环。为了了解这些星系团是如何增长的，以及这些循环在什么时候建立起来的，我们将不得不观察非常非常遥远的星系团[以观察发生的事情]，那时星系团还非常年轻。我们将不得不使用更大的 X 射线望远镜，比如我们与欧洲航天局一起设计的雅典娜卫星，该卫星应该在 2030 年代初发射。
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暗物质到底是什么？
宇宙中暗物质比我们所组成的普通物质多得多。我赞同那些认为它是一种粒子的观点，但它不是我们已知的粒子。我一直在与一位同事克里斯·雷诺兹合作，他一直在观察珀尔修斯星系团的中心，看看他是否能看到轴子的迹象。轴子是一种假设的粒子，它与普通物质的相互作用非常弱。它是几十年前引入的，用来解决物理学中的一个问题，当时有一种叫做 Axion 的清洁剂。因此，这种粒子被称为轴子，因为它清除了物理学中的一个问题。轴子可能存在，也可能不存在，但[如果它们存在]，它们具有与光子相似的性质——它们都是玻色子。在强磁场中，光子可以转化为轴子，反之亦然。我们正在做的是使用 NGC 1275 星系中心的类星体作为背景光，以观察它的光穿过珀尔修斯星系团中的磁场时是否发生这种相互转换的任何迹象。到目前为止，我们还没有看到任何可以归因于轴子的效应。令人欣慰的是，那里存在着我们知道存在但又不理解的基本事物。我对此感到兴奋。