互动科普

从附近星系的中心泻出大量的气体可能最终会有助于解释恒星和星系际的介质。

无数的星系在夜空中闪烁着，它们数十亿个恒星的光汇合起来使得大多数星系可见。但是少数星系中其中心核的一个点状的区域使星系其余部分的光亮相形见绌。这种星系发电机的细节太小了，甚至不能用哈勃太空望远镜来分辨。幸好从这些巨大爆炸——在超过一百万度的温度下燃烧的热气体形式——的残骸有时向外部显示出紧密的核，就规模来说可从地球上直接看到。

这种超热的物质通过爆炸地点周围的星际气体和尘埃所绘出的图形对星系核内起作用的强大力量的性质和历史提供了重要的线索。天文学家现在能够确定，是什么类型的引擎在驱动着这些电动机以及它们的巨大泻出物对星系际介质的影响。

此外，由于这些激变作用似乎从宇宙历史的早期起就一直在发生。所以它们几乎已肯定地影响到环境，在此环境中已演化成了人类自己的银河星系。弄清这些事件是怎样发生的，现在可以阐明化学元素的分布，已证明这些化学元素对如象太阳这样的恒星之形成是决定性的。

对于星系电动机，天文学家们已提出了两种截然不同的机制。第一种机制是剑桥大学Martin J.Rees和现在在加州理工学院的Roger D.Blandford的脑力劳动的产物。在七十年代初，这两位天文学家力图解释从称作类星体的某些假定的年轻星系的中心延伸出来数百万光年的异常的光度——为银河光度的数千倍——和壮观的“射电喷流”(高能物质的高度聚焦流)。他们提出，一个超大型的黑洞——比太阳大不了许多但或许其质量却是太阳的一百万倍——可能，为类星体提供动力。

黑洞本身实际上不产生光，但是当它的密度增大时，向着洞作螺旋形旋转的吸积物质盘会变热并辐射出热量。盘的内部较热的部分在一个很广的能量范围内产生紫外光子和X-射线光子，其中一小部分被周围的气体所吸收，并作为紫外光和可见光的离散光谱线而再发射。自Rees和Blandford提出他们的模型以来的若干年内，天文学家们已经弄清，类似的黑洞可能是更近的活动星系能量输出的主要原因。

当盘变热，在它附近的气体达到数百万的温度，同时以高速度从星系核向外扩散。这种气体流是从太阳或其它恒星流出的太阳风和巨大的姊妹气流，它能扫除其它的星际气体并把它们从核排开。所引起发光激波能够横跨数千光年远——可与星系本身的可见体积相匹敌——并能从空间或地面为基地的天文站对其进行研究。某些这种星系也产生射电喷流：快速移动的稀薄的气体流，当其穿过可能固定在吸积盘内的磁场时可发射射电波。

黑洞不是驱动星系猛烈事件的唯一引擎。有些星系在其核心明显地进行着恒星快速形成的短期活动：所谓的核恒星爆发。无数新的恒星产生强大的星风，当这些恒星老化时，爆发出大量超新星。从这些超新星抛射出的快速移动的气体撞击着背景星际尘埃和气体，并将其加热至数百万度。

这种热气体的压力形成一个空腔，就像沸水中的一个水泡。当这个气泡扩展时，较冷的气体和尘埃聚集成气泡边上的一个致密壳层，使其扩展速度放慢。从气泡内的自由流动过渡到其边缘处的近于静态平衡，产生出一个很容易从地球上看的湍流带。如果射入这空腔的能量是足够大，气泡就从星系气体盘爆发出来并喷出壳的碎片，热气体进入星系晕，或到达它们起源点的数千光年远之外。

格林威治皇家天文台的Roberto Terlevich及其合作研究者己领导了最新的研究，旨在确定单独的恒星爆发是否能驱动活动星系特有的热气体泻出。1985年，Terlevich和现在在欧洲南部天文台的Jorge Melnick提出，许多这类的星系含有他们叫作“加热器”的不寻常的恒星——温度超过十万度并有非常有力的星风的极热的恒星。这两位科学家提出，当富含来自先前的超新星的化学重元素的一个区域发生恒星爆发时上述恒星会自然出现。Terlevish及其伙伴坚决主张，他们的模型能解释某些活动星系的光谱和其它许多特性。

鉴定引擎

恒星爆发和黑洞这两种解释似乎都是可信的，但是这两者之间有着重要的差别，它可揭示在一个给定的星系中是哪一种解释在起作用。一个黑洞可将多达1O的落入物质转换成能量。相反，恒星爆发取决于核聚变，它只能释放出反应物质0．1的能量。因此，它们需要至少多一百倍的物质，其中大部分作为未燃烧的燃料而聚积。在为恒星爆发提供动力的类星体的整个一生中，在星系核中垒积的总质量能够达到太阳质量一千亿倍，相当于银河星系中所有恒星的质量。

近核的质量越大，轨道恒星必须运动越快。受大气污染限制的地面为基地的光学观测对星系中心的质量浓度未加严格的制约。但是，新近的射电天文望远镜研究的结果已揭示了一个内半径为光年的，在称作NGC4258的附近漩涡星系的中心围绕比太阳大2000万倍的一个质量作快速自转的吸积盘。

几个研究小组现在用哈博望远镜所载的频谱仪测量恒星运动在整个星系核上的分布。在活动星系M87的内核中的气体正在以与黑洞吸积盘相一致的方式移动的这一发现，已证实了这种技术的前途，当宇航员在1997年将该仪器改进后，它将变得更加有效。

在它们产生的大多数高能光子的光谱方面恒星爆发和黑洞也是不同的。在一个黑洞附近，强磁场与致密的吸积盘结合产生非常快的粒子的浓雾，这些粒子相互之间和与光子之间碰撞产生X一射线和r射线。相反，恒星爆发从超新星喷出物与周围的星系气体和尘埃之间的碰撞产生它的大部分高能辐射。这种撞击加热气体至约不到十亿度，因此不能产生比X-射线能量能大的任何辐射。最近被康普顿伽马射线天文台从一些类星体检测到的大量的r一射线表明，黑洞是在它们的中心[见《科学》，1994年第4期‘康普顿伽马射线天文台’一文]。
    黑洞与恒星爆发之间决定性的差异在于集中高速流出的气体流的力。附着在黑洞周围的吸积盘上的磁场线控制着沿盘的旋转轴流出的物质，成为一层薄的射流。相反，被恒星爆发气泡排斥的材料直接流向周围环境中最小阻力的路线。在旋涡星系中的一次有力的恒星爆发将垂直于恒星和气体的星系盘的平面喷出气体，但是这种气流将分布在有一广阔开口的沙漏状区域内。从一些活动星系的核心向外扩展数百万光年远的窄的射电射流清楚地表明了黑洞的存在。

我们所知道的关于星系——活动的或其它性质的——的所有情况都来自它们发射的辐射。我们的观测提供的数据，天体物理学家们能够用来在各种竞争性理论中进行选择。我们三人已致力于可见光的研究，从这种可见光我们能够确定被星系爆炸作搅动的气体的温度、压力和各种原子的浓度。我们用地球上的实验室测量的值或根据理论计算而得的值比较激发原子或离子化原子的发射线的波长和相对强度。

光谱特征

由于使运动源发射的光发生频率和波长变化的多普勒频移，这种分析还揭示这种气体移动得有多么快。趋近的气体发射的光移向光谱的蓝色端，而后退的气体发射的光移向红色端。

直到最近，天文学家才借助两种互补的方法澄清了气体的性质。发射线成象和长缝光谱法。第一种方法，通过可选择如氢这类元素发射的特定波长的光的滤波器成象。这种图象往往生动地揭示爆炸的纤维模式，但是它们不能告诉观测者有关气体运动的速度或方向的任何情况，因为滤波器的分辨率不足以精确到测量红移或蓝移的程度。长缝光谱计可将光离散为它的组成颜色，可提供关于气体运动的详细信息，但是只限于一个很小区域的信息。

几乎已有十年，我们的研究小组应用结合了这两种方法的优点而无大的缺陷的一种仪器。夏威夷成象Fabry—Perot干涉仪(HIFI)产生很大视野范围内的详细的光谱信息。以世纪之交法国发明家Charles Fabry和Alfred Pèrot来命名的这种干涉仪在天文学中的应用范围很广。仪器的心脏是两块玻璃板，完全保持平行，同时相隔在1／20毫米以下的距离。玻璃板的内表面是高度反射性的，因此穿过板的光被捕人重复的反射中。除一特定的波长外——以精密的间距来确定——全部光在玻板之间来回反射时被破坏性的干涉所减弱。通过调节玻板之间的间隔，我们能够产生一系列的图象，这些图象实际上是由干涉仪在视域的每个位置获得的光谱栅。

使用夏威夷大学所拥有的2．2米望远镜和3．6米加拿大一法国一夏威夷仪器，Hifi在14000英尺高的处于休眠期的冒纳凯阿火山顶上拍摄它的图片山顶上的平滑气流产生清晰的图象。对弱光非常稳定和敏感的电荷耦合装置收集光子。在一个晚上，这种有力的组合能够产生横跨整个星系范围的多达一百万个光谱的记录。

附近的活动星系

我们已用HIFI研究了NGC1068，它是距地球4600万光年远的一个活动的旋涡星系。作为从北半球可以看到的这类虽近，最亮的星系，人们已对其作了广泛的研究。在射电波长方面，NGC1068象一颗小型的娄星体：两股射流从核心处向外扩展约900光年远，从更远的地区有更多的漫射发射。极有可能，以相对论的速度运动的气体等离子体发射产生射电射流，而“射电波瓣”在等离子体遇到来自星系盘物质的地方出现。正如一架超音速飞机所能形成的那样，东北射流的前端边界将产生V字形的激渡波阵面。
    相同的区域也发射大量的可见光和紫外光。但是我们发现，仅有10%的光来自核。另有5%的光来自已在东北射电波瓣的扩展边缘上积聚的星系盘气体。其余所有的光来自以每秒高达1500公里的速度从中心向外运动的高速气体流。
    气体以两个圆锥形的区域向外流出，它或许是由被来自吸积盘的热风所吹开的致密的纤维物质组成。外流风的圆锥的轴在星系的平面上倾斜，但并不指向两极。

核内活动的影响延伸到数千光年之遥，远远超过射电波瓣。扩散的星际气体表现出异乎寻常的高温，同时有很大部分原子已失去了一个或多个电子，已成为离子化。同时，在这个盘中的天象似乎影响到核。红外成象表明了许多恒星排成一个拉长了的棒，该棒已从核扩展到3000光年之外。HIFI速度测量表明，该棒使盘中气体的圆形轨道变形，物质向星系的中心逐渐变成漏斗状。物质的这种流入实际上可以为黑洞供给燃料。

另一次剧烈的爆炸正在离我们仅数百万光年远的一个最近的星系M82的核内发生。与NGC1068相反，这次激变似乎是一次原型的恒星爆发所驱动的事件。通过一个滤波器（它能透地产生氢原子的红光)所暴露出的图象揭示，沿星系两极向外喷出纤维网。由垂直于星系盘的纤维产生的我们的发射光谱栅揭示了两种主要的气体物质，一种气体物质退行，而另一种气体物质向前推近。这两种气体物质之间纬度之差随着气体从核心向外移动而增大，在3000光年的距离时达到每秒约350公里。在离核心4500光年的距离时，速度区别缩小。

M82的核心正在进行一次恒星形成的强烈爆发，可能是由于最近与它的相邻星系M81和NGC3077在轨道上相遇所引起的。它的红外光度是太阳总光度的300亿倍，射电天文学家已鉴定出了很大数量的超新星残余。在地球上可见的纤维网是由大致垂直于M82盘并跨在核上的两个拉长的气泡所引起的。在太空的X射线观察站已检测了向这些气泡充气的热风，它们的泡沫状的外观或许是由热气体冷却时的不稳定性所引起的。

模糊的活动

遗憾的是，活动星系内能量的主要来源的本性并非总是如此明显。有时一次恒星爆发似乎与一个黑洞的引擎同时存在。如象M82那样，许多这种星系在红外波长异常亮，而且富含分子气体(即恒星的原料)。但是，相似于类星体的射电发射和可见光谱表明，黑洞也可能是存在的。

这种模糊性困扰着对附近星系NGC3079行为的解释。这个旋涡星系几乎出现在地球的侧向——这是一个研究由其核排出的气体的极好位置。与M82相同，NGC3079在红外光中是异常的亮，在核心周围还含有横跨8000光年的分子气体的物质盘。同时，该核在射电波长中是非常亮，而近核处射电发射区域的线性形状表明了一个成直线的喷流流出。在一个大的尺度上，射电发射模式是复杂的，并从星系盘的两边扩展到6500多光年之外。

由氢的红光拍摄的图象表明，在核的东方有一个跨度为3600光年的近圆环。从HIFI进行速度测量证实。该环标记了从这一侧所看到的气泡的边缘。这个气泡象一个鸡蛋，它的突出的极端以核平衡，它的长轴与星系极成一直线。在核的西侧有另一个气泡，但它的大部分隐藏在尘埃星系盘之后。

我们的光谱观测表明，这种猛烈流出物的总能量或许达到NGC1068或M82爆炸之能量的1O倍。该气泡沿基质星系的极轴成一直线表明，星系尘埃和气体与流出物成一直线，而不是中心黑洞与流出物成一直线。然而，NGC3O79在其核心含有大型的黑洞的证据是十分清楚的。

核恒星爆发是这种巨大爆炸唯一的原因吗?我们通过分析来自恒星爆发区域的红外辐射试图回答这个问题。嵌入分子云中的年轻恒星的大部分辐射被吸收，并以红外线的形式再发射，以致NGC3079的核的红外光度可能是超新星和恒风在星系中心喷射能量的速度的一个好的指示器。当我们比较恒星爆发模式的预测与我们的观测时，我们发现，恒星喷出物似乎有足够的能量去为气泡充气。虽然假定存在于NGC3079核心的黑洞可能成为流出物的原因，但是不需要要求它作为一种能源。

活动星系怎样形成

虽然天文学家现在弄清了驱动活动星系的引擎的运转之基本原理，但是有许多细节仍然不清楚。关于点燃一次恒星爆发或形成一个中心黑洞的过程之本质有着激烈的争论。将燃料转送到点状核的传送带是什么?很有可能与富含气体的星系的引力相互作用可重新分布基质星系中的气体，或许通过形成如NGC1088中的恒星棒而转送燃料，计算机模拟似乎表明，棒一旦形成就可能是相当稳定的[参见《科学》1991年第12期‘碰撞星系’一文]。(实际上，棒必定是稳定的，因为NGC1068目前没有接近的伴星。)

研究人员对于核恒星爆发或黑洞哪一个先产生还存在意见分歧。或许恒星爆发是活动星系演化的初期阶段，最终衰老得只剩下一团致密的恒星残余物，后者又迅速聚结成一个大规模的黑洞。
    我们以及其它人已观测过的星系中的反常的气体流几乎肯定只是特别突出的普遍而微妙的过程的例子。这些过程影响许多星系。发光的红外星系是普遍的，越来越多的证据正导致天文学家们相信。它们的许多核心也是爆炸的场所。在整个星系附近．这些事件可能大大影响着恒星的形成。例如，在NGC3079中的气泡在顶部被部分裂开，因此或许物质漏入外星系晕，或者甚至漏入星系之间的广阔的太空中。恒星爆发所释放的超新星洪流中的核反应使热风的重化学元素浓度加大。结果，这风将不仅加热它的周围，而且还改变环境的化学组成。

在整个宇宙史中，这种“宇宙气泡浴”的全部影响是难于精确估计的，因为我们对当前更远星系的状态知道得非常少。哈勃望远镜所拍摄的远距离星系的图象将有助于弄清一些这方面的问题。事实上，当数十亿年前离开这些星系的光到达我们的仪器时，我们可能在观察着在宇宙中的其他地方正在展现的相当于我们自己星系史前史的事件。