黑洞和星系怎样跨宇宙玩拔河

By Paul Sutter

2022/7/1

Science & Astronomy

黑洞和星系有一种不太可能但相互交织的关系。

 黑洞与星系CQ4479之间关系的一个描画。(Image credit: NASA/ Daniel Rutter)

黑洞与星系有一个复杂的关系。

天文学家认为，几乎每个星系在它的的核宿主一个巨大的黑洞。虽然这些黑洞确实是巨大的------重达数百万甚至数十亿个太阳的质量------但与它们的家园星系相比它们是微小的，质量不到一个典型星系的1%，体积更小十亿倍。

尽管这个巨大的差异，但这些巨大的黑洞能够施加一种超尺寸的影响，控制数十亿年的恒星形成速度。

如此为什么黑洞和星系有这样一种看似不可能的关系呢？

星系的核是它们最密集的区域，不仅挤满了恒星还挤满了气体。在大多数（如果不是全部）星系的中心坐着一个超大质量黑洞。最小的是太阳质量的一百万倍，排行榜顶最大的是质量是我们家恒星质量的一千亿倍以上的。

自然，这些黑洞对它们周围环境施加一个巨大的引力，任何游荡得太近的气体或恒星都会发现它们自己被困在一个致命的怀抱中。随所有这些物质都挤进黑洞周围的空间它加热起来，因为这是当你压缩它们时物质做的。很快，这种物质变平成一个薄的围绕黑洞涡旋的吸积盘。

一个黑洞极端引力场的可视化。  (Image credit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman)

吸积盘中的微小不稳定性造成磁场线捆绑在它们自己身上，一遍又一遍地折叠，从而推高盘中磁场的强度。虽然黑洞周围的大多数物质都跌在事件地平线之下，在这个宇宙中再也不被看到，但锁存在一些物质上的强磁场在将物质从两极中炸出来之前迫使它沿着黑洞周围的扭曲路径。

过热等离子体的射流以接近光速的速度竞速出来，穿过这个核，在某些情况下，延伸数万光年。

黑洞和星系之间的奇怪关系

科学家相信正是围绕超大质量黑洞的这种活动是黑洞与它们的宿主星系之间一个有趣关系的背后。它被称为M-sigma关系，它是超大质量黑洞（M）的质量与星系核气体中的速度分散（用希腊字母sigma表示）之间的一个联系。

速度色散是一团气体的“轻松摇晃度”的量度。更大的色散意味着气体的口袋有一个宽的速度范围，而一个小的色散意味着气体的口袋有一个大致相同的速度。M-sigma关系告诉我们对一个广泛的星系，它的黑洞的质量越大，速度分散就越大------换句话说，在核中发生更多的活动。

比它的宿主星系增长得快得多的称为CID-947的黑洞的描画。.  (Image credit: M. Helfenbein, Yale University / OPAC)

 然而，黑洞的进食和它的令人印象深刻的喷流的发射只构成这个故事的一个方面。喷流发射后，它们会加热核心中的气体。有这么多的能量，气体有一个很难到达黑洞附近的时间------因此吸积盘变薄，喷流能力下降。但在足够长的时间之后，气体在循环重复之前再次冷却并开路进入黑洞的巢穴。

黑洞与它的周围环境之间的这种密切联系被称为反馈，它调节黑洞的增长和星系中的能量，建立M-sigma关系。

保持平衡

这种反馈周期还控制某些对星系演化至关重要的东西：恒星形成的速度。

当星系中的气体口袋相对凉时，它们能达到触发恒星形成所需的令人难以置信的密度。如果气体太热，恒星形成减慢下来。在一个星系内有许多热源，比如超新星释放的能量，但也许星系场景中最大的玩家是那些相同的超大质量黑洞。

银河系中心的射手座A*黑洞的合成图像。 (Image credit: X-ray: NASA/CXC/SAO; IR: NASA/HST/STScI. Inset: Radio (EHT Collaboration))

来自超大质量黑洞的反馈调节整个星系的恒星形成。如果没有来自巨型黑洞的流出，恒星的形成将发生得更快，潜在的甚至排干一个需要来产生新恒星的气体储藏星系。如果没有巨大的黑洞，星系将活得很快，死得年轻，留下小的、红色的、昏暗的恒星种群，并且在当今的宇宙时代没有新的恒星形成。

然而，这种微妙的平衡能走的偏离轨道。有时，来自黑洞的流出能生长的太强，不仅加热星系中的气体而且将其完全从星系中移除。这不仅会减少恒星的形成，它完全关闭它。这种“淬火”能发生，特别是在重大的星系合并事件之后，当太多的物质过快地落入中心黑洞时。

银河系有它自己的称为射手座A*的巨型黑洞，它现在相对的安静，过去数百万年的最后一次爆发是安全的。但尽管这个黑洞看起来危险的，但它是一个调节每个星系演化的重要组成部分，以均匀的速度保持恒星形成。也许没有它，银河系可能很久以前就用完了恒星形成的气体，太阳可能永远不会出现。

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