超大质量黑洞探秘
导语：在超大质量黑洞的周围无不有剧烈的活动，其程度猛于狂飙、胜过烈焰。那么，这类剧烈的活动是怎样产生的呢？
超大质量黑洞的活动
超大质量黑洞产生的活动，首先是吸积周围的物质。由于它们的引力无比巨大，又蛰居于星系的中心，在它的周围物质密度极高，聚集着大量的恒星和星际物质(气体和尘埃)。这个无敌的巨无霸，以不可抗拒的态势，贪婪地拖拽物质，掉入它的万劫不复的陷阱。超大质量黑洞周围之所以发亮，发出从射电波直至γ射线的辐射，是因为向它们掉落的物质在进入它们的视界永久消失之前，受到压缩和吸引，产生极高的温度，于是发出了辐射。
天文学家发现，在年轻星系里中心黑洞的质量相对较小，而在较老星系里则随年龄增大而逐渐变重。这样看来，超大质量黑洞在寄主星系的整个一生中都在积累质量，而且没有任何征兆显示这种增大会结束。恒星和气体被从介质吸引进去，没有任何东西能够逃逸。它的增重就是这种只许物质进入视界，单向流动的结果。
但是，星系内的所有物质都有环绕中心的旋转，这就是说，受中心的超大质量黑洞垂直向下的力吸引的恒星和含尘气体，都有很大的侧向运动速度。即使中心的引力难以想象地巨大，还是不能把物质直接拉向中心。物质向中心以盘旋的方式掉落，在黑洞视界以外形成一个巨大而炽热的吸积盘，它环绕中心高速旋转。正是这个盘里物质极端的物理状态，产生了我们所观测到的活动现象。
哈勃空间望远镜为我们提供了直接的观测证据，支持关于超大质量黑洞持续不断地吸积物质，并在其周围形成一个吸积盘的推测。最雄辩的例子是环绕NGC 7052椭圆星系核旋转的尘埃盘。这个星系位于狐狸座，离地球1.91亿光年。它的结构在外貌上好像太空中巨大的轮轱，可能是远古星系的遗迹。它将在几十亿年的过程中逐渐地被黑洞吞噬。这个盘的光线，比起星系其余部分较红，因为尘埃能更多地吸收蓝光而让红光通过。日落时太阳变红也是一样的道理，因为这时阳光通过大气的路径加长了，大气中大量尘埃吸收(包括散射)的蓝光更多，传入我们视野的则是剩余的红光。盘中央显得特别明亮，这个亮斑是聚集在黑洞周围的恒星发出的光线累积造成的。事实上，这些恒星密集地禁锢在较小的空间内，包围着中心，正是表明附近一定隐藏着一个强大的引力源。否则它们就会四散而去，不至于形成图像里如此明显的恒星集中的亮点。
NGC 7052星系内有一个巨大的(直径3700光年)寒冷的气体和尘埃盘，这个盘的中心有一个质量估计为3亿太阳质量的超大质量黑洞。尘埃盘的暗黑部分是外围寒冷的区域，它向里延伸到超热的区域。引力压缩并加热气体，会在电磁波谱的各种波段产生辐射。左上的像是用地面望远镜拍摄的NGC 7052星系，方框区域相当于右下部的像(即中央尘埃盘)。
人们用计算机模拟了椭圆星系NGC 7052的活动。如果从NGC 7052星系的尘埃盘的平面上看这个尘埃盘的内部，将会看到炽热的、正在掉落的气体是怎样的状态。图中间的黑色圆斑表示中心天体，两侧离其大约10倍于太阳的半径，所以本图的范围约代表了NGC 7052星系尘埃盘广度的1/30万。不同的颜色表示当气体在接近中央视界时如何迅速地被加热，温度可以高至100万度直至10亿度。所以没有固态物质可以在这种状态下存在，而是都成为炽热而稀薄的等离子体。较外部的红色部分已经温度较低，表示翻腾的云团。物质下落时产生大量热量，这些热量并不直接散逸，而是导致气体的逆向运动，以致把一些等离子体沿盘的平面向后扫去。
在与盘平面垂直的方向上，形成上、下两个漏斗形的圆锥，圆锥的顶点正是中心黑洞。当炽热的压缩气体绕黑洞旋转时，产生的光线会无所阻挡地沿圆锥射出，但是在遇到翻腾着的物质时并非如此。这个效应类似于手电筒产生的直射光束：一个不透光的罩子防止光向旁侧泄漏，光线集中射向前方，哈勃空间望远镜已经观测到一些这类宇宙型“手电筒”。
超大质量黑洞引起的显著活动是喷流。前面我们列举的活动星系和类星体都有规模宏大的喷流。当前，关于物质如何喷射的确切机制还没有在细节上探究明白。但是有日益增多的证据表明，磁化等离子体在黑洞视界附近的绕转运动正是喷发的原因。星系核心的黑洞在高速自转(克尔黑洞)，它的自转轴的作用犹如一个稳定的方向舵，形成一只固定的陀螺仪，它的方向已先期决定了喷流的取向。喷流内的等离子体以极高的速度运动——典型速度达光速的99.99%。
现在天体物理学家以他们称为“B++”的机制来说明喷流的发射。这就是一个黑洞(B)，加(+)一个旋转的吸积盘，加(+)一个冻结在盘上并被它的旋转缠绕起来的磁场。吸积盘里的物质是超高温的等离子体，它们都被磁化了，物理学家称磁力线冻结在等离子体上，这些磁力线整体上或多或少地垂直于吸积盘。这些物质在高速旋转中向黑洞掉落。在下落过程中，这些等离子体不仅本身被压缩，同时也使磁场强度增加，而且越接近中心，绕黑洞旋转的速度也越来越快。于是冻结在物质上的磁力线被编成了辫子，而且越缠越紧，有些竟至断裂。这时会释放大量的能量。事实上，我们会经常遇到磁感线断裂释放能量的小型化版本，那就是太阳上的耀斑爆发。耀斑爆发是很复杂的过程，为了解释其主要观测特征，太阳物理学家们提出过多种理论模型，但仍不能说已经解决了所有问题。其中一种“磁感线再连接”的理论已被证实为比较成功。这个理论说：在日冕的不稳定磁场中既有封闭磁场又有开放磁场，当外面物质压缩磁场时，原来开放的磁感线彼此接近并发生断裂，进而重新连接，这样产生冲向色球和光球的高能粒子，而使它们突然增亮，形成耀斑。上世纪70年代，美国的“天空实验室”太阳观测卫星观测到一个完整的耀斑爆发过程，证实了这个理论。天体物理学家借鉴这个理论也能说明黑洞周围吸积盘上能量释放的过程，只不过这里的规模远大得多。
带电粒子只能像念珠似地沿磁感线流动，不能穿越它们。这样当密布于整个吸积盘上的磁力线转动时，便把丰富的带电粒子流高速地向外抛出，离开吸积盘。这些等离子体是从整个吸积盘上，而不是正好从黑洞本身被排斥出来。喷流形成的过程可能与人们通常所认为的情况不同，人们可能以为喷流是一股集中在黑洞上的相当狭窄的射束向外喷射，实则不然，喷流从接近中心的部分开始外溢时范围很宽，即遍及整个吸积盘，像一个张开的漏斗，张角可达60°，远大于任何人的预计。喷流是那么惊人，又异常巨大，从20世纪70年代早期以来，就自然地成了发现和识别超大质量黑洞的主要方法。
世界之大无奇不有！
