安德魯·費邊知道什麼是熱的。這位來自劍橋大學的天文學家透過研究受熱氣體和天體產生的能量X射線，探測了宇宙最熱的角落，包括巨大星系團中炙熱的氣體。
費邊說：“當你有大約 10 萬個星系聚集在一起時，它們之間的氣體會被巨大的引力擠壓，變得非常熱，大約 1000 萬度。這使得氣體發出大量的 X 射線，這就是我們如何看到它的原因。”
發出這種輻射最終會導致這種星系際氣體冷卻。“氣體確實冷卻了一些，但並沒有完全冷卻，這令人費解，”費邊說。“一定有什麼東西阻止了它。” 費邊尋找“那個東西”的探索導致了一個驚人的發現。事實證明，加熱是由位於星系團中最亮星系中心的超大質量黑洞引起的。
透過數十年的觀測，特別是對天空中最亮的 X 射線發射星系團珀爾修斯星系團的觀測，費邊揭示了這種加熱機制是如何工作的。當一個黑洞旋轉，物質繞著它旋轉並墜入其中時，構成物質的粒子會發生碰撞，噴射出高能輻射和其他粒子噴流。這些噴流產生震撼宇宙的聲波，像揚聲器的低音一樣向外擴散，提供足夠的能量使整個星系團的氣體保持高溫。此外，透過追蹤從黑洞邊緣旋轉的物質上反射的 X 射線中的扭曲，費邊提出了一種測量黑洞自轉的方法，這有助於為其改變星系的噴流提供動力。
儘管費邊堅稱“我們才剛剛開始弄清楚所有這些過程是如何運作的”，但他還是因加深了我們對黑洞在塑造星系和星系團演化中所扮演的角色的理解而榮獲 2020 年卡弗裡天體物理學獎。
在本次採訪中，費邊思考了超大質量黑洞內部潛藏著什麼，概述了我們對星系演化進行研究的下一步，並解釋了類星體如何揭示暗物質的奧秘。
當物質落入黑洞時會發生什麼？
“不知道”是答案。物質在墜落的過程中，會穿過我們稱之為事件視界的東西。我們外面的觀測者無法看到事件視界內部的情況，因為時空本身圍繞著黑洞扭曲了。如果你墜入黑洞的中心，你會到達我們稱之為奇點的地方。這只是一個禮貌的說法，指的是我們不理解的部分，因為它具有黑洞的所有質量，體積卻無限小。在如此極端的密度下，你會遇到量子力學，並且由於我們沒有量子引力的解決方案，我們不知道正在發生什麼。有人談論說，如果你有一個旋轉的黑洞，那麼奇點不是一個點，而是一個環，如果連線到另一個宇宙中類似的環，它就可以充當蟲洞。這些都是有趣的問題，但我非常注重觀測，而且我目前看不到任何方法來觀察這些。但或許有人會在某個時候破解量子引力的問題。我知道有人正在研究它。
黑洞是如何最終位於星系中心的？
據我們所知，所有大質量星系的中心都有黑洞。我們不知道它們是在星系形成過程中的哪個階段產生的。在早期宇宙中，星系形成始於暗物質。由於暗物質不與普通物質發生碰撞，因此它能夠形成團塊，然後冷氣體落入這些團塊中，形成星系。但我們不知道第一個黑洞是如何形成的，也不知道它們在哪裡形成的。這很可能在未來幾十年內被能夠真正開始看到第一顆恆星和第一個黑洞的望遠鏡解決。在它們形成之後，這些黑洞會對周圍星系的演化產生深遠的影響。它們可以透過推開氣體來阻止新恆星的形成，或者它們可以透過壓縮其外流中的氣體來促進新恆星的形成。星系演化過程中可能會多次發生這種恆星形成開始和停止的迴圈。為了瞭解這些星系團是如何增長的，以及這些迴圈在什麼時候建立起來的，我們將不得不觀察非常非常遙遠的星系團[以觀察發生的事情]，那時星系團還非常年輕。我們將不得不使用更大的 X 射線望遠鏡，比如我們與歐洲航天局一起設計的雅典娜衛星，該衛星應該在 2030 年代初發射。
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暗物質到底是什麼？
宇宙中暗物質比我們所組成的普通物質多得多。我贊同那些認為它是一種粒子的觀點，但它不是我們已知的粒子。我一直在與一位同事克里斯·雷諾茲合作，他一直在觀察珀爾修斯星系團的中心，看看他是否能看到軸子的跡象。軸子是一種假設的粒子，它與普通物質的相互作用非常弱。它是幾十年前引入的，用來解決物理學中的一個問題，當時有一種叫做 Axion 的清潔劑。因此，這種粒子被稱為軸子，因為它清除了物理學中的一個問題。軸子可能存在，也可能不存在，但[如果它們存在]，它們具有與光子相似的性質——它們都是玻色子。在強磁場中，光子可以轉化為軸子，反之亦然。我們正在做的是使用 NGC 1275 星系中心的類星體作為背景光，以觀察它的光穿過珀爾修斯星系團中的磁場時是否發生這種相互轉換的任何跡象。到目前為止，我們還沒有看到任何可以歸因於軸子的效應。令人欣慰的是，那裡存在著我們知道存在但又不理解的基本事物。我對此感到興奮。