如第16章中所述，西格玛所探测到的X射线源可能是一个黑洞，但却是一个双星系统中
的恒星级黑洞。
现在许多天体物理学家都同意银心由三重结构组成。首先是一个“暖”气体盘，它
还有一个延伸到距中心5至30光年的“冕”，冕中聚集着许多物质团块，这个盘的内边
缘被中心辐射源强烈地加热。第H是在冕以内的一个半径为5光年的腔中有总质量为200
万M回的恒星组成的非常致密的星团。最后，在中心是一个质量在300万到600万Mgh间的、
缓慢吸积着的黑洞（也有不无道理的争议，说是气体云的运动可能不是圆周的，甚至也
不是由引力支配的，而是在中心星辐射压推动下的喷射。在这个假设下300的中动质量
就足以解释云的观测速度）。
还要注意，一个300万吨黑洞的直径是对皿万公里，这比目前仪器所能分辨的区域
的尺度要小100倍。仪器的分辨率在今后几年中无疑会得到改进，但仍须记住，从地球
上看去的银心黑洞角径，就跟一个放在1皿万公里外的网球一样大。
关于隐藏在银心的、与拉普拉斯的预言类似的巨大不可见星的猜想，是由德国天文
学家约翰·舍尔德勒（Johann Seldner）于1801年首先提出的。不过他的目的简单地只
是要解释银河系的自转，但他发现需要的质量大得难以相信，于是又立即放弃了这个猜
想。关于银心巨型黑洞的第一个严肃的预言是在1971年作出的，那时还没有什么射电和
红外资料支持。预言者是剑桥大学的唐纳德·林登一贝尔（Donald Lyndenrae购和马丁
·里斯（Martin ReeS）。这其实是林登一贝尔的一些较早工作的合乎逻辑的结果，他
在1969年建议所有星系的核心都隐藏有巨型黑洞，其周围的辐射能流则由可得到的气体
原料数量来调节（两位俄国天体物理学家，雅可夫·泽尔多维奇和伊果·诺维柯夫
（IgorN。Vik。V），于1964年提出，落向超大质量黑洞的气体吸积可能是类星体的能
源）。
河外天文学的发展倾向于支持这个设想。与活动的赛弗特（Seyfert）星系尤其是
类星体比较，人马座的黑洞就相形见细了。然而，近来似乎有比过去已观测到的多得多
的剧变事件在银河系中心发生。当有200万颗恒星被束缚在巨型黑洞附近时，平均每1万
年就会有一颗恒星偏离其圆轨道而落向黑洞，于是它就会被巨大的潮汐力所粉碎（这将
在下面谈到）。一部分碎片将被黑洞吞噬，从而出现几十年时间的活动期，其余的碎片
则被抛入一个很扁的轨道。已有人在认真地考虑，在IRS 16中观测到的暖云会不会就是
在过去100万年中被黑洞撕裂的恒星碎片，这些云的数量与每1万年碎裂一颗恒星的频率
是相符的。
所有这些似乎都表明，我们银河系的中心是那些发生着剧变现象的遥远星系中心的
一个缩小版本。
星系世界
天文学家用现代望远镜能看到几十亿个星系。就像以前市丰（Buffon）对动物作分
类那样，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在本世纪初也将星系按形态分成椭圆、旋涡、
棒旋和不规则的这几类。前面已经看到，银河系是一个旋涡星系，有三个组成部分，即
核球、有结构的盘和弥散的晕。棒旋星系通常也有两条卷曲的旋臂，但中心是一个律状
部分。不规则星系类似旋涡星系，但没有晕和核球。而椭圆星系则没有盘，却像旋涡星
系那样有很大的核球和曼。椭圆类型中有着最大的星系，群集着上万亿颗恒星，椭圆星
系的主要特征是只包含恒星，而几乎没有气体。
一般认为，所有星系的年龄都相近，即150亿年，它们的形态不同是因为有着不同
的“新陈代谢”。星系的新陈代谢是气体转化为恒星的速率，这也是星系“生命”的标
志。这样看来，椭圆星系是初始转化速率最快的，绝大多数气体云还没来得及相互作用
并逐渐落到盘上，就已经转变成了恒星（两团气体云的碰撞会耗散大量的轨道能量，使
得它们落向星系的“赤道面”）。旋涡星系则不同，其初始代谢作用很慢，直到气体已
在盘上铺开以后，恒星形成过程才发生。不规则星系则介于二者之间，不到一半的气体
已变成恒星，因而也就没有一个确定的形态。
单从代谢作用来看，星系的演化似乎是相当平静的。椭圆星系里代谢过程已经冻结，
旋涡星系里则有着一种缓慢地缩减的循环，即恒星诞生，毕生锻造着重元素，继而爆发
使周围气体加浓，然后是新一代恒星形成，每一代新恒星都吸收进前一代制造出来的元
素。
活动核
天文学在过去30年中的革命性进展之一是认识到星系不只是产生恒星光。有些星系
的核心隐藏着本质上不同于恒星的强大“非热”辐射源，银河系就是最显而易见的一个，
尽管其核心产生的能量只及其盘和晕中10皿亿颗恒星总辐射能量的千分之三。但是，在
已观测到的星系中有那么百分之一，其中心活动非常之强，在一个小到像太阳系那样的
区域里产生的非热辐射能量超过星系其余部分辐射能的总和。这些活动星系核的中心有
着极为强大的“发动机”。
类星体（这是60年代初发现这类天体时所起的名称“类似恒星的天体”的简称，因
为它们的点状表象类似于恒星。后来的更先进的仪器已经显示出它们周围的星云状结构，
它们实际上是遥远星系的明亮核心。）3C273是用以描述活动星系所提出的问题性质的
一个极好样本。在所有的天文现象中，类星体无疑是最有刺激性的，这是因为它们辐射
大得令人难以置信的能量。3C273与地球的距离为30亿光年，比普通星系亮1000倍。它
看上去是一个点源，因而尺度必定很小，测量结果其直径小于1光年。它的体积与银河
系相比，就如同埃弗尔铁塔与地球相比，它的辐射能量又怎么能比银河系强上千倍的呢？
活动星系核的全部问题都由这个极端的样本体现出来。我们今天关于活动星系核的
“中心发动机”如何运转的知识，相当于60年前关于恒星内部结构的知识，我们那时还
不知道恒星是由其核心的热核反应来提供能量。由于核物理的进展，我们才得以理解为
什么恒星会具有观测到的质量和光度，才能计算它们的结构并追踪它们的演化。对星系
来说，现在还根本没有得出这样清楚的图像，然而，巨型黑洞对周围物质的吸积，其作
用可能类似于恒星中热核能量的释放。下面就来解释这是什么缘故。
五环难题
活动星系核家族包括许多种类的河外源，如类星体、射电星系、赛弗特星系、蝎虎
型天体、爆发星系等。对每种类型观测特征的详细描述将超出本书的范围，我们这里主
要关注的是它们的共性，尤其是它们对天文学家提出的难题：中心发动机的实质是什么？
这个难题可以分为五个部分，即辐射的非热性质，质量的高度集中，光度的变化，延伸
到很远距离的气体喷流，以及与正常星系的相似性。
活动星系核可以在几乎所有波长上被观测到：射电、红外、可见光、紫外和X射线。
最引人注意的特征是辐射谱的形状，即辐射强度作为频率的函数的分布，它与恒星或恒
星集团的不同。恒星表面的辐射与理想黑体（见“黑洞与黑体”一节）辐射很相似，可
以由一个特征温度来表述，被称为热辐射，而活动星系核的辐射却是非热的。最明显的
例子是射电星系的同步辐射，即由以接近于光速的速度在磁场中运动的高能电子发出的
辐射。
质量心理学
许多理论和观测上的论证表明星系核心物质是高度集中的。第一条论证是对任何一
个源发出辐射总量的很一般的限制，与源的具体性质无关。一个质量一定的物体的辐射
光度不可能超过一个被称为爱丁顿光度的临界值。道理很简单，一个稳定辐射源，其辐
射所具有的外向压力不可能超过把源物质维持在一起的内向引力（这里的前提是稳定源，
超新星的光度远远超过爱丁顿光度）。爱丁顿光度是这两种力相等的极限情况。假如太
阳的光度增大25万倍，它就会蒸发，因为它的引力已不足以维持自身气体的聚集。一些
温度很高的年轻巨星的辐射很接近爱丁顿光度，因而很快地“吹走”自己的气体外壳。
如果辐射源不是一颗恒星而是一个在吸积气体云的黑洞，气体云辐射的压力就不可能超
过黑洞对气体粒子的引力，不然的话粒子就会被推开，吸积也就停止。
假定活动性很强的星系核是以爱丁顿光度辐射，则对它们光度的测定就能给出对质
量的估计。活动星系核的光度在太阳光度的1000亿倍到107亿倍之间，因而它们的质量
在100万到100亿Mpe间，最高的质量对应着最活动的核，即类星体。
支持大质量中心发动机思想的第二个理论证据是效率，源的光度总是一定质量转化
为辐射能的结果。先来考虑恒星中心释放的热核能量，这已被习惯地看作是很有效地把
质量转变成能量的机制。当1000克氢转变成氦时，只有7克质量损失——转变成辐射能
（见“火的抗争”一节），也就是说热核反应释放能量的效率只有0．7％。假如活动星
系核释放的能量也是由于热核反应，那么一个类星体就得每年消耗
1000个太阳质量才能实现其光度。有很好的理由相信类星体的状态持续数百万年之
久，这就是说一个类星体所消耗的总质量相当于整整一个星系。如果再进一步考虑到所
涉及的体积又很小，那么这个要求确是太过分了。是不是有比热核反应更有效的机制呢？
由前面所讲的双星X射线源已可看到，强引力场中的能量释放堪当此重任。当吸积
盘中的1000克氢缓慢地落入黑洞时，约有100克质量转变成能量，这个效率比热核反应
的高得多。正是这种对可由引力场中获取巨大能量的认识，鼓舞着天体物理学家借助于
致密天体来解释最剧烈的天文现象，无论是恒星尺度上的新星和X射线源，还是大得多
的尺度上的星系核。一个新的充满活力的天体物理分支，即相对论天体物理，在对年代
兴起，它所研究的就是致密天体引力场中物质的行为。
如果没有观测证实，则关于活动星系核中集中着巨大质量的理论设想就只是一种设
想。有两个方法可以近似地测量星系核的质量，但只适用于邻近的星系（类星体不用这
种测量，其质量可由光度来得出）。第一个是依据星系核附近恒星光的分布，如前所述，
这个方法已被用于研究球状星团的中心（见“球状星团”一节）。如果有一个中心大质
量存在，恒星就会被吸引而会聚，光度就会急剧增大。第二个方法是由核心周围物质的
运动来推导中心质量，已被成功地用于银河系中心（见“人马座的银心黑洞”一节）。
对河外星系的情况，核心附近恒星的速度可以测量，老认为恒星在作圆周运动，则中心
质量值可以被推算出来。
这两个方法在1978年被成功地用来测量椭圆星系梅西叶87的核心质量，该星系是天
空中最强的射电源之一。结果表明中心质量在30亿到50亿M之间，此外，梅西叶87的核
心也不及全由恒星组成的那样明亮。这可能是对超大质量黑洞的首次观测发现。但是，
像银心的情况一样，有理由对恒星速度的估计提出疑问：如果恒星是在沿径向运动而不
是作圆周运动，中心质量就不会有那么大。
继梅西叶87之后，对邻近星系的核心作了系统的研究，活动核（如赛弗特星系的情
况）的中心质量一般估计为1000万到1亿M之间。目前的记录保持者是NGC6240，它看来
有一个质量为500亿M的巨大暗核。当然，“引力发动机”要有高效率，质量就得不仅是
很大，还要报集中。对射电星系，可以用长基线干涉仪（即将多架射电望远镜分置于地
球上各大洲，相隔数干公里，分辨能力就大为提高）来直接测量辐射核的最大尺度。对
分辨得最好的邻近源所得的结果表明，中心质量被限制在小于1光年的范围内。
光变
对那些不是射电源的活动星系核，可以由光变来间接地确定其尺度。
第16章已讲过为什么一个源的光变可以指示出其尺度，这是因为源的构型的变化不
可能传播得比光速更快。比如说，如果一个活动核的光度在一天里发生了可觉察的变化，
则这个源的尺度必定是在1光天，即260亿公里之内。
前面也讲过，一个源的光度可以用来计算其质量，显然，源的尺度必定大于同质量
黑洞的史瓦西半径。质量为1亿M的黑洞的尺度约为1光小时，于是1个1亿Mpe量的活动核
就不可能在短于1小时的时间内发生光变，因此，源的特征光变时间就成为其致密程度
的重要标志。
多数活动核的绝大部分辐射是在一个到几百个史瓦西半径之间的区域发出的。一个
光变特别显著的活动核是OX169其X射线光度在100分钟里增至3倍，表明中心辐射源尺度
与土星的公转轨道相当。显然，需要有一种特殊的致密源来为类星体提供能量。
宇宙喷流
半人马座A是最邻近的射电星系，距离为1600万光年。它并不是一个很强的源，但
有两条壮观的电离气体流从星系中心的两侧喷出，并远远越过星系的光学边界而延伸到
100万光年之遥。这种宇宙喷流的终止处是发出同步射电辐射的云块，被称为瓣。
在可见光段半人马座A是一个非常美丽的天体，像是一个隐藏在尘埃层后的椭圆星
系。它的核心有一个小的变化的射电源，尺度为光小时量级。虽然校的射电功率相当低，
但它注入瓣中的能量却相当于几百万颗超新星爆发，这表明半人马座A的活动性很强，
其中心发动机的质量至少为1000万Mop。这种双喷流结构不是半人马座A所独有的，而是
射电活动核的一个显著特征。近几年中，天文学家已使用长基线干涉仪分解出喷流像俄
罗斯套娃娃那样的结构。长度为几光年的微喷流从致密核心射出，并与延伸到数百万光
年远处的大喷流精确地连成一线，这样长距离上严格瞄准的气体结构表明，发出喷流的
中心源对方向的“记忆”能保持数百万年。这种宇宙喷流是在像SS433（见“从恒星到
星系”一节）这样的恒星系统里观察到的喷流的放大形式。这种类比进一步支持了大质
量转动致密天体作为中心发动机的思想，转动轴的方向也就是气体喷射的方向。
马丁·里斯建议，那些显示最剧烈光变的活动核，其“喷气”方向正巧朝着地球。
这个主意是为着解释一类令人困惑的活动核，即所谓蝎虎型天体（这类星系中的第一个
是在蝎虎座发现的，起先被以为是一颗变星，1968年才被证认为河外射电源）。它们最
引人注目的特征是光变比其他活动核更快，也更强烈。它们的光变时间短到只有几个小
时，以至于其辐射似乎是来自一个比同质量黑洞的尺度还要小的区域。还有一个重要的
差别：其他活动核的光谱有很强的壮，发射线（类星体的距离正是利用其发射线的红移
来确定的），而竭虑型天体的却几乎是“无线”谱。按照普遍接受的观点，发射线是产
生于中心源周围受到照射的巨大气体云，所有的活动核都必定有这种云。
里斯的朝向地球喷流馍型同时解释了蝎虎型天体表现上过快的光变和发射线的缺乏。
由于使义相对论效应，一个速度接近于光速并朝着观测者运动的喷过，其光度会被放大，
而表观光变时间会变短（还可以解释为什么有些喷流看上去运动得比光速还快）。而如
果蝎虎型天体的喷流确是朝向地球，来自靠近中心处的发射线就会被喷流的极强辐射完
全淹没。
连续与变异
对“正常”星系，也就是核心光度弱于其余部分的星系的观测表明，它们有许多与
活动星系共同的性质。最明显的例子是银河系，其核心是一个具有高度集中质量的射电
源。看来可以合理地设想，活动星系核并不是什么外来的怪物，而是处在有利于中心活
动的演化阶段的星系。
活动星系核最重要的性质是具有高度集中的大质量。前面所讲的观测方法能用来估
计任何一个邻近星系核的质量值，只要它不被尘埃所遮掩。这些方法对邻近星系核的应
用已经在过去几年产生了，并正在继续产生出惊人的结果：中心大质量的存在似乎是几
乎所有星系的共同特征，无论是旋臂型的还是椭圆型的，是巨型的还是矮型的。在众多
的事例中，这里只介绍特别有趣的两个。
银河系属于一个约有20个成员的星系群，居于支配地位的是仙女座大星云。它与地
球的距离只有200万光年，用肉眼即可看见。它是银河系的近亲，也是旋涡星系，化学
成分相同，也有小的卫星系，只是尺度比银河系大了将近一倍半。由于它的盘面不与观
测方向平行，它的不活动核心可以用光学望远镜观测，并且可以测量核心附近恒星的分
布。最新的计算表明，它的暗弱中心的质量为
1000万M，这个星系有着型号挺好的中心发动机，不过没有运转。
梅西叶32是仙女座大星云的卫星系之一，是一个质量相差一百倍的矮椭圆星系，完
全不活动，只不过是一群绕核心转动的高龄恒星的集合而已。气体和尘埃的缺乏使得可
以很高精度观测其核心部分，并得以计算出恒星是在围绕一个500万M／wi的看不见的中
心质量运转。这个矮星系的心脏和银河系的一般大。
由此可见，如果大多数星系的核心都有着巨型黑洞，那么它们活动的程度则取决于
见光年半径内恒星和气体，也就是“燃料”的密度。梅西叶32虽有巨大的发动机却完全
不活动，也就不足为怪，因为这个椭圆星系很小，包含的恒星不多，并且完全没有什么
气体。梅西叶87是另一个极端，这个巨大的椭圆星系里可能有一个50亿M的黑洞。它的
核心有一定的活动性，但比类星体要弱得多。按照它的光度来推算，每年只需有万分之
一太阳质量的气体被吸入黑洞即可。这个数量的物质是很容易由黑洞附近的数百万颗恒
星来提供的，因为恒星在其演化进程中丢失气体是一种正常现象。梅西叶87有可能是一
个熄灭了的类星体，那个类星体的马力开得最足的时期大约是在10亿年前，那时尽管它
距离地球有5000万光年之遥，亮度却与水星相当，因而应能在夜间用肉眼看到。
其他能源机制
探测到活动星系核中物质的高度聚集，还不是巨型黑洞存在的确定证据。原则上，
其他两种天体也同样可以成为致密的和高效的发动机：极端密度的星团和单个的超大质
量恒星。这些参与竞争的模型能经受得住更严格的考查吗？回答是否定的。
星团模型的基础是星团内异常的超新星爆发率。超新星作为大质量恒星热核演化的
自然结果，在统计上是很稀少的：一个星系里每百年只有几个。但是，在很密集的星团
里，超新星爆发的频率会由于恒星碰撞而增大。两颗恒星碰撞的结果，通常是并合成一
颗大质量星，这颗星就会更快地朝着超新星状态演化。计算表明，在一个包含10亿颗恒
星的密集星团里，恒星间的碰撞是如此频繁，可能形成的大质量恒星是如此之多，以至
于每年可以有10次超新星爆发。
星团模型有三个主要问题，首先，它不能解释类星体和蝎虎型天体光度的巨大变化。
相对于类星体的烈火来说，每个超新星爆发只是燃着一根火柴，为产生类星体的光变，
必须有一千个超新星同时爆发。其次，星团不能产生出大尺度的稳定的宇宙喷流，因为
它不能给定一个特别的方向来推斥物质。第三，也是最严重的反驳是，致密星团是极不
稳定的。聚集在1光年半径内（这是由观测给出的限制）的10亿颗恒星的集团，只能维
持100万年就会坍缩成为黑洞。这么多活动星系校要在这么一个短暂而特殊的演化阶段
都被观测到，那可真是一个奇怪的巧合。奥克姆剃刀再次干预，排除了致密星团作为活
动星系核能源机制的可能性。
超大质量恒星模型的遭遇也不见得好。恒星结构的理论已经说明了为什么观测不到
质量超过100M的恒星。不过，天体物理学家仍在不断地推测10万到1亿M的超大质量恒星
的存在。这种恒星的主要特征应当是极其明亮，但这也正是问题之所在：这种星只是一
个巨大的光子球，而光子球并不是稳定的系统，即使这种星通过某种尚无人知晓的机制
形成了，它们也必定很快就爆发或是坍缩。
由于此路不通，又有几个超大质量星的变种被发明出来，以期能维持巨大质量的稳
定存在。一种叫做“巨转星”，就是快速转动的超大质量星，由离心力来维持平衡。还
有所谓“巨磁星”，依靠巨大的内部磁压来稳定。这些猜想的星都像是放大的脉冲星，
都有能为喷射物质提供特定方向（转动轴或磁轴方向）的优点。但是，广义相对论证明，
它们本质上都是不稳定的，主要原因是引力波造成的能量损耗，而且，巨型脉冲星会产
生周期性光变，而这从未在任何活动星系核中观测到。
总之，为解释星系核的活动，巨大的吸积着的黑洞是唯一能符合所有理论和观测要
求的模型。这种黑洞的形成是由广义相对论预言的，而且已被确认是所有大质量天体引
力坍缩的最后结果。黑洞是稳定的，能通过吸积物质而成为将引力势能转化为辐射的理
想场所。最后，黑洞不仅能释放落向它的物质的能量，而且它自身也能提供巨大的转动
