黑洞名聲不佳，這在許多方面是罪有應得的。它們是人類已知的效率最高的破壞引擎。它們強大的引力是任何過於靠近的物體通往湮滅的單程票；在它們內部是未知的領域，從那裡沒有旅行者能夠返回。我們之所以能看到它們，僅僅是因為受害者不會默默地走向滅亡。落入黑洞的物質可以加熱到數百萬度併發出明亮的光芒。其部分動能和動量可能會轉移到以接近光速向外流動的粒子射流中。各種大小的黑洞都因天文學家在宇宙中觀察到的輻射和等離子體齊射而受到指責。
然而，黑洞並非全能。即使是那些在許多星系中心發現的超大質量黑洞——其名稱本身就暗示著一個統治星系領地的貪婪怪物——以宇宙標準來看也是微小的。它們通常只佔星系質量的不到百分之一，而且它們的引力高度集中。因此，天文學家長期以來認為，超大質量黑洞，更不用說它們較小的表親，對它們直接鄰域以外的地方几乎沒有影響。人們認為，星系中更遠處的恆星形成遵循著不同的節奏。
因此，過去十年中，黑洞活動和恆星形成密切相關的現象令人驚訝。在許多黑洞貪婪地吞噬物質的星系中——產生一種天文學家稱之為活動星系核 (AGN) 的現象——恆星以驚人的速度形成，這種現象被稱為星暴。這兩種看似不相關的過程如何如此密切相關？
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今天，AGN-星暴聯絡是一個革命性的研究領域。美麗的哈勃太空望遠鏡影像使天文學家能夠剖析星系核心的複雜事件，錢德拉 X 射線天文臺正在窺探哈勃望遠鏡無法看到的區域，理論家們正在努力理解這一切。這項研究關係到天文學中最基本的一些問題：黑暗的早期宇宙是如何被數十億顆恆星點亮的？超大質量黑洞是否需要幫助才能變得如此巨大？它們能否成為創造和破壞的代理人？
類固醇星系
活動星系核和星暴都是宇宙中最壯觀的現象之一。AGN 是星系中心一個發光且緊湊的光源。類星體是最極端的例子。AGN 釋放的功率相當於十億到萬億個太陽，可以超越其宿主星系的其他部分。人們認為為其提供能量的超大質量黑洞，將其百萬到十億倍太陽質量的物質壓縮在小於太陽直徑 1,000 倍的區域內。就像墜落的岩石一樣，螺旋向黑洞的物質會加速並在與其他物質碰撞時釋放能量。這樣做，它會在所有波長上發出輻射：射電、紅外、光學、紫外、X 射線、伽馬射線。
星暴星系可以與 AGN 的亮度相媲美。在這些地方，氣體凝結成恆星的速度相當於每年產生多達 1,000 個太陽——比我們自己的星系目前形成恆星的速度快 1,000 倍。一些星暴侷限於相對較小的區域，只有數百光年寬，位於星系中心附近；另一些則發生在更大的尺度上，有時達數萬光年寬。星暴通常發生在正在經歷或最近經歷過與鄰近星系近距離相遇或合併的星系中。兩個星系之間的潮汐力擾亂了氣體並導致氣體向內墜落，大大加速了星際雲坍縮並形成恆星的正常過程。星暴通常持續約 1000 萬年，然後耗盡氣體（字面意義上）。
與 AGN 類似，星暴星系在很寬的波長範圍內發光。它們的大部分功率輸出僅僅是已形成恆星的光芒。星暴往往是特別明亮的紅外輻射源，紅外輻射是在星際塵埃吸收並再輻射星光時產生的。星暴也會產生大量的 X 射線，這些 X 射線從大質量恆星中湧出，尤其是在它們死亡時。大質量恆星會以一聲巨響結束：超新星爆發，它直接產生 X 射線，散射熱的 X 射線發射碎片，並留下中子星或小型黑洞，能夠吞噬伴星並噴射 X 射線。周圍的星際氣體，被所有恆星活動加熱，也會釋放 X 射線。
AGN 與星暴以某種方式聯絡起來的想法並非由單一的驚天動地的發現引發，而是緩慢演變而來的。它可以追溯到天文學家仍在爭論是什麼為 AGN 提供能量的時代。儘管今天幾乎所有人都將 AGN 歸因於超大質量黑洞，但就在 20 年前，情況還不太明朗。包括劍橋大學的羅伯託·特勒維奇和歐洲南方天文臺的豪爾赫·梅爾尼克在內的研究人員認為，AGN 是一種星暴。對於當時的望遠鏡來說，年輕恆星和超新星碎片的緊密結看起來就像一個超大質量黑洞。
聯絡的理由
這個概念只是在 20 世紀 80 年代後期才失寵，因為在多個波長下執行的更高解析度的望遠鏡開始揭示 AGN 有多緊湊：最多幾光年寬，可能只有幾光分鐘寬，太小而無法包含星暴。即使整個恆星團能夠塞進如此小的空間，恆星也會迅速合併在一起並坍縮成黑洞。此外，AGN 往往伴隨著快速移動的物質射流——黑洞會自然產生，而星暴則不會。
儘管 AGN 和星暴被證明是不同的現象，但這些討論使天文學家更容易接受它們可能以某種方式相關。現在，幾個觀測證據支柱指向了這種關係。這些發現種類繁多，表明這種聯絡對宇宙產生了普遍的影響。
第一個證據是最直接的。望遠鏡已經在附近的星系中看到了 AGN 與星暴並存。這些觀測很難進行，因為星系核充滿了氣體和塵埃，阻礙了我們的視線。這就是 X 射線天文學的用武之地。X 射線可以穿透稠密氣體。即使目前的 X 射線望遠鏡缺乏哈勃望遠鏡的解析度，它們通常也能產生更清晰的星系塵埃中心影像。
第二個證據來自約翰霍普金斯大學的蒂莫西·赫克曼及其同事對近 23,000 個 AGN 進行的調查。研究人員沒有仔細檢查所有這些星系的影像，而是從特定光譜線的強度推斷出 AGN 或星暴的存在，將高度電離的氧氣作為 AGN 的標誌，並將強氫吸收作為星暴的指示。主要結論是，擁有強大 AGN 的星系比沒有 AGN 的類似星系擁有更多的年輕恆星。AGN 越強大，星系不久前經歷過重大星暴的可能性就越大。簡而言之，這項研究證實了 AGN-星暴聯絡不僅僅是軼事。
第三，AGN 星系並不是唯一擁有超大質量黑洞的星系。天文學家也在不活躍的星系中心探測到了它們。似乎巨型黑洞無處不在。它們大部分時間處於休眠和不可見狀態；只有當物質以較大且持續的速度落入其中時，它們才會產生 AGN。德克薩斯大學奧斯汀分校的約翰·科門迪、密歇根大學安娜堡分校的道格拉斯·O·裡奇斯通和其他人已經證明了這些黑洞的質量與星系中心恆星的總質量之間存在相關性：黑洞質量約為恆星質量的 0.1%。同樣的關聯適用於大多數（儘管不是全部）AGN 星系。因此，某種過程將中心黑洞與恆星形成聯絡起來。揮之不去的差異表明研究人員並未完全理解這種聯絡。
AGN-星暴聯絡甚至可能潛伏在僅 24,000 光年之外的地方——在我們自己的星系核心。恆星和氣體圍繞星系中心快速運動，暴露了集中質量的存在，其質量相當於 260 萬個太陽。來自該位置的射電和 X 射線輻射表明該質量是一個超大質量黑洞——不是一個真正活躍的黑洞，而是一個偶爾進食的黑洞。有人假設它像一個迷你 AGN 一樣運作，以真正 AGN 百萬分之一的速度吞噬周圍的物質。儘管它目前沒有伴隨星暴，但附近確實存在明亮的恆星團。它們可能是幾百萬年前星暴爆發後留下的。
另外兩種證據來自回顧過去。觀察者注意到，當宇宙的年齡只有現在的十分之一時，AGN 和恆星形成之間的關係更加密切。那時，兩種型別的星系更為常見：超亮紅外星系（稱為 ULIRG）和射電星系，它們似乎是處於早期形成階段或正在經歷星系合併過程的星系。它們的核心包含大量的——數十億個太陽質量——寒冷、稠密的氣體。它們既是 AGN 又是強烈的星暴的宿主。另一種歷史方法涉及遙遠而明亮的 AGN——特別是類星體。它們經常生活在混亂的星系中，這些星系扭曲的形狀和不尋常的顏色表明它們正在合併並以高速率形成恆星。
最後一個證據來自 X 射線背景輻射，它是宇宙微波背景輻射的一個鮮為人知的表親。對背景的研究揭示了光學望遠鏡無法看到的 AGN 群體。這種遮蔽有一個自然的解釋：AGN 伴隨著星暴，星暴使星系充滿了塵埃。
先有雞還是先有蛋？
AGN-星暴聯絡可能有四種廣泛的方式出現：星暴和 AGN 是同一事物；某種第三過程導致了 AGN 和星暴；AGN 導致了星暴；或者星暴導致了 AGN。
第一種情況是舊觀念的有限版本，即 AGN 僅僅是一種星暴。儘管對於大多數 AGN 來說，這個想法被證明是錯誤的，但它可能適用於其中一些。微弱的 AGN 可能由極端的恆星活動而不是超大質量黑洞產生。活動發生在如此小的區域內，以至於望遠鏡可能會將其誤認為是一個黑洞。關於這種可能性，陪審團仍在討論中。
第二種情況是，這種聯絡僅僅是巧合。相同的過程可能為星暴和 AGN 都奠定了基礎。例如，星系合併可能會將氣體推向新形成的實體的中心，從而引發星暴，並透過為黑洞提供燃料來觸發 AGN。有趣的是，理論預測黑洞成長為超大質量（約 1000 萬年）所需的時間與星暴的典型壽命相似，這也與兩個星系合併所需的時間相似。
然而，大多數研究人員傾向於剩下的兩種情況，即 AGN 和星暴存在因果關係。第三種情況假設，現有的超大質量黑洞，與預期相反，對其宿主星系施加了強大的影響。也許黑洞將物質拉向星系中心，從而促進恆星形成。巴黎天文臺的弗朗索瓦絲·孔布斯一直支援這種模型。她認為，一旦黑洞就位，氣體就會自然地流入星系核，為 AGN 提供燃料。隨著氣體的聚集，它成為星暴的原材料。該理論非常合理：許多附近的擁有 AGN 的星系的核心也包含塵埃結構，這可能是從外部吸入的物質。另一方面，並非所有這些結構都具有理論預測的形狀。
星暴可能不是由物質流入黑洞引起的，而是由黑洞的能量流出引發的。當超大質量黑洞開始吞噬物質併產生 AGN 時，衝擊波和射流可能會撕裂星系。氣體沿著衝擊波陣面堆積並凝結成恆星。錢德拉對半人馬座 A 星系的觀測表明，大約在 1000 萬年前發生了一次大規模的 AGN 爆發，該星系的恆星形成率極高。在該星系的外圍，存在一個約 25,000 光年寬的 X 射線發射環，這可能是這次爆炸的衝擊波造成的。爆炸與恆星形成事件同時發生，X 射線環與年輕恆星弧重疊。
黑洞先於恆星出現的情況具有有趣的含義。黑洞，而不是恆星，可能是早期宇宙一片漆黑中最先出現的燈塔。此外，一些天文學家認為太陽誕生於星暴期間。如果這次事件是由銀河系中的 AGN 引發的，那麼我們可能要感謝黑洞的存在。
挖掘黑洞
然而，星暴先於恆星出現的情況具有最強的理論和經驗支援。這種聯絡可以自然地從正常的恆星演化中產生。星暴產生稠密的恆星團，其中恆星碰撞很常見。星團中的大質量恆星迅速死亡並變成中子星或恆星質量黑洞，這些天體聚集在一起。經過數千萬到數億年的時間，它們會積累成更大的黑洞。
或者，大型黑洞可能由類似於我們太陽的輕型恆星產生，這些恆星通常不會變成黑洞。在稠密的星團中，這些恆星可能會經歷失控的合併過程，其中恆星碰撞並形成大質量恆星，然後進一步合併成質量是太陽幾百到幾千倍的巨星。然後，這些巨星坍縮形成質量相似的黑洞。這個過程也需要大約 1 億年——遠小於星系的壽命，並且速度足以解釋最早的類星體。
無論它們是如何產生的，黑洞都傾向於沉入星系中心。幾個黑洞可以合併形成一個超大質量黑洞。NGC 6240 星系的觀測結果證實了這一想法，在該星系中，一對超大質量黑洞正在相互繞軌道執行，註定要合併 [見上方插圖]。超大質量黑洞可以透過吞噬周圍的物質繼續生長。即使是在星系遙遠區域形成的星團也可以為中心黑洞貢獻質量。由於星系尺度上的摩擦，這些星團會緩慢地損失動能和角動量，這種摩擦是由與星系其餘部分的動力學和引力相互作用引起的。它們螺旋向內，最終被潮汐力撕裂。在數十億年的過程中，這個過程可能會向中心黑洞注入相當於數千萬個太陽的質量。星系盤的擾動，例如相互作用或合併，也可能將燃料注入黑洞。
中等質量黑洞
星暴先於恆星出現的模型預測了一個全新的黑洞群體，介於恆星質量黑洞和超大質量黑洞之間。在過去的 13 年中，這些中等質量黑洞的間接證據以所謂的超亮 X 射線源的形式出現。在附近的幾個星系中發現的這些源，其 X 射線功率是中子星或恆星質量黑洞的 10 倍到數百倍。它們可能是光束朝向我們方向的中子星，使其看起來異常強大。但越來越多的證據表明，它們實際上是質量高達太陽質量數百倍的黑洞。
2002 年，兩組天文學家，一組由巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的羅蘭·P·範德馬雷爾領導，另一組由加州大學洛杉磯分校的邁克爾·裡奇領導，在兩個稠密的星團 M15 和 M31-G1 的中心發現了中等質量黑洞的跡象。這些星團中的恆星移動得如此之快，以至於需要質量分別為 2,000 和 20,000 個太陽質量的天體才能束縛住它們。這些天體不一定是大型黑洞——它們可能是一批中子星或小型黑洞。但即使是這種情況，這些天體最終也應該合併併產生一個大型黑洞。
美國宇航局戈達德太空飛行中心的託德·斯特羅邁耶和理查德·穆肖茨基發現，其中一個超亮源，位於星暴星系 M82 中心附近，以大約 18 秒的週期閃爍。這種閃爍太慢且不規則，無法來自中子星表面，也太強烈，無法來自圍繞此類恆星執行的物質。如果它來自圍繞黑洞執行的物質，那麼該黑洞的質量可能達到數千個太陽質量。在螺旋星系 NGC 1313 中，當時在哈佛-史密森天體物理中心的喬恩·米勒及其同事發現了兩個超亮 X 射線源，它們比恆星質量黑洞更冷。理論預測，黑洞附近的溫度會隨著質量的增加而降低，因此 NGC 1313 中的黑洞必須比恆星質量黑洞質量更大。
這些候選的中等質量黑洞並非位於其宿主星系的中心，因此它們與 AGN-星暴聯絡的相關性尚未確定。但是，我對附近的一個星暴星系 NGC 253 的研究提供了一些直接線索。在 1995 年之前，天文學家認為來自該星系的高能 X 射線起源於與星暴相關的熱氣體。在那一年，我在 X 射線光譜中發現了黑洞的跡象。然而，直到 2001 年，我的同事和我才用錢德拉獲得了該星系的 X 射線影像 [見上方插圖]。
我們在 NGC 253 內 3,000 光年範圍內發現了五個超亮 X 射線源。其中一個，正好位於星系中心，其亮度是中子星或恆星質量黑洞的 100 倍左右，這表明它的質量相當於大約 100 個太陽質量。它可能是一個正在發展成為完全成熟的 AGN 的黑洞。事件的順序可能是這樣的：星暴發生在星系中心附近。由此形成的大質量恆星坍縮併合並，形成輕型黑洞，然後螺旋向星系中心併合並，形成超大質量黑洞的種子。隨著星暴逐漸減弱，超大質量黑洞開始為 AGN 提供能量。
研究星暴活動如何影響超大質量黑洞的燃料供應和生長，應該有助於深入瞭解所有 AGN 中最強大的類星體的誕生。天文學家一直想知道為什麼早期宇宙中的類星體比今天的 AGN 更強大。原因可能僅僅是早期宇宙中更頻繁地發生恆星形成事件，這引發了更強烈的 AGN。
可以肯定的是，情況可能比一種活動直接觸發另一種活動更為複雜。星系可能會在 AGN 階段和星暴階段之間迴圈。當週期重疊時，天文學家會同時看到這兩種現象。AGN 和星暴甚至可能同步演化。目前的觀測無法判斷是 AGN 先出現，還是星暴先出現，還是它們同時出現。這個引人入勝的問題應該可以透過下一代望遠鏡來解答。
美國宇航局於 2003 年 8 月發射的斯皮策太空望遠鏡的觀測將有助於闡明一些早期星系中的 AGN-星暴聯絡。透過將斯皮策的紅外資料與可見光和 X 射線資料相結合，科學家們將能夠確定在星系形成期間是 AGN 還是星暴占主導地位，這可以確定哪個先出現。
AGN-星暴聯絡可能是宇宙中最極端的代際聯絡。黑洞代表著逝去恆星的凝聚餘燼；星暴代表著充滿活力的年輕恆星的誕生。塑造包括我們星系在內的星系，可能需要新舊事物的合作。
作者
金伯利·韋弗是美國宇航局戈達德太空飛行中心的天體物理學家，也是約翰霍普金斯大學的兼職教授。她專門從事黑洞、活動星系核和星暴星系的 X 射線研究。1996 年，韋弗獲得了總統科學家和工程師早期職業獎。她也熱愛藝術；她的愛好包括唱歌、跳舞和在社群劇院表演。