謝懿，科學松鼠會成員，天文學博士，副教授，目前在南京大學天文與空間科學學院任教。此外，還擔任天文科普雜誌《天文愛好者》編委，以及一些科普文章的編譯者。個人籤名：把天文學帶給大眾。
很久很久以前，一團巨大的低溫氣體漂浮在空蕩的宇宙之中，而其中有一片黑色的區域甚至比宇宙背景還要深邃。突然之間，一條纖細的物質噴流以超高速噴湧了出來。它直衝雲端，壓縮其中的物質，觸發了恆星形成風暴。曾經沉睡的氣體雲現在則成為了一個星系。
難道這就是一個星系的誕生？許多天體物理學家深信這一點。星系的存在會影響宇宙的演化，這就把超大質量黑洞置於了整個過程的中心。超大質量黑洞驅動著類星體，它們會產生以極高的速度運動的物質噴流，正是這些噴流觸發了星系的形成。
如果這個想法是正確的，它就將會顛覆已有的星系形成理論。它也會驚人地對改變我們自己的起源。如果沒有超大質量黑洞產生的噴流催生出銀河系，也許人類就不會出現在這個宇宙中。
不過天文學家們並不打算就此重寫宇宙的歷史。他們關注的是超大質量黑洞和星系之間的聯繫，這也是縈繞在星系形成上的一個關鍵問題。20世紀60年代中，當類星體首次被發現時，這個問題第一次浮出了水面。類星體都是非常明亮、緻密的天體，可以釋放出超過銀河系100倍的輻射。如此驚人的能量輸出卻來自一個非常小的區域，這只能用位於星系核心的超大質量黑洞來解釋。在黑洞的引力作用下，周圍的氣體和塵埃會作螺旋運動並且形成一個盤，同時它們還會被加熱釋放出巨量的輻射。
超大質量黑洞射出的噴流導致星系形成的概念圖。圖片來源：ESO/L. Calçada。
當時，許多天文學家認為，只有類星體中才存在超大質量黑洞，而類星體在宇宙中又十分罕見，因此它們只不過是無關緊要的宇宙「異類」而已。然而，隨著在絕大多數的星系中央都發現了超大質量黑洞，這一觀點也發生了改變。在大多數星系（也包括我們的銀河系）中，這些「中央引擎」由於缺少燃料一直處於休眠狀態，因此都隱藏得很深。
不過，真正令天文學家們好奇的是，這些超大質量黑洞究竟能在何種程度上影響它們所處的星系。雖然名字唬人，但超大質量黑洞其實是非常「小」的天體。以銀河係為例，由恆星和氣體組成的銀盤直徑約15萬光年，而居於其中心的超大質量黑洞卻還沒有水星繞太陽公轉的軌道大。所以，你也許會認為它們不會對宿主星系造成大的影響。
超大質量黑洞的概念圖。中央的超大質量黑洞被一個吸積盤（黃色）所圍繞，外部則是塵埃環面（藍色），兩道噴流則從中心區域向外噴射而出。圖片來源：ESA/NASA/the AVO project/Paolo Padovani。
然而，距離較近的星系似乎都遵循著一個優雅但卻原因不明的關係：星系中央核球裡恆星的總質量是超大質量黑洞的約700倍。這一星系和超大質量黑洞間的關係表明，其中一個的生長影響著另一個。兩者間相關連的進一步證據則是，恆星形成和類星體活動在80～100億年前同時達到了高峰。
那麼，這麼小的天體為何能影響整個星系呢？其關鍵就是超大質量黑洞射出的兩道反向物質噴流。在最初的幾個光年裡，噴流中的物質會以接近光速的速度運動，這使得它們可以衝破四周星系物質的包圍運動到數百萬光年遠的星系際空間中去。
類星體HE0450-2958為此提供了一個絕佳的範例。HE0450-2958距離地球50億光年，是唯一已知的「裸類星體」——一個周圍沒有星系的超大質量黑洞。
一些天文學家懷疑，HE0450-2958附近其實有一個星系，但是被大量的灰塵遮擋住了。塵埃會在紅外波段上發光，於是天文學家就使用歐洲南方天文臺甚大望遠鏡上的紅外設備對其進行了觀測，結果有了驚人的發現。
他們發現這個類星體的噴流就像一把雷射劍，扎入了距離其23,000光年遠的一個星系中。這個星系富含明亮的年輕恆星，其中的恆星形成速率相當於每年350個太陽，這個數字高出了預期100多倍。天文學家猜想，如此瘋狂的恆星形成率絕非偶然，這表明類星體的噴流實際上催生出了這個星系。
這直接顛覆了標準星系形成理論，傳統上都認為星系先形成，然後是超大質量黑洞。但HE0450-2958告訴我們的卻正好相反，超大質量黑洞觸發了星系的形成。
對於HE0450-2958，它始於一個超大質量黑洞，後者會從星系際空間吸來氣體，成為一個類星體。由此它一直在長大，直到大約2億年前噴流出現。其中的一道噴流擊中了23,000光年遠的一團氣體雲，由此引發的激波傳遍了整個星雲。這也導致了恆星形成過程，產生了今天我們所看到的星系。
近距類星體HE0450-2958的顏色合成圖像，它是唯一一個沒有探測到宿主星系跡象的類星體。圖片來源：ESO。
這一想法肯定會招來爭議。因此在公布之前，天文學家必須要確保類星體及其噴流所指星系間的相關性不存在其他解釋。起先，他們認為HE0450-2958是被從這個星系中拋射出來的。因為數值模擬顯示，當兩個星系合併時，它們的中央黑洞會相互作用，並把其中一個甩入星系際空間。
然而，當真如此的話，HE0450-2958被甩出來的方向卻正好和它的一道噴流的方向重合，這實在是一個奇怪的巧合。更重要的是，要從一個質量和銀河系相當的星系中逃逸出來並不是一件容易的事情，它要求你的速度必須達到大約每秒500千米以上。對這一系統的觀測並沒有發現在過去數億年中存在星系併合的證據，而HE0450-2958的速度也只有大約每秒200千米，根本不足以擺脫這個星系。
事實上，這個類星體的低速意味著，隨著時間的推移，它會慢慢地掉入這個由它締造的星系。與超大質量黑洞在成形後的星系中心形成、生長不同，在這個系統中，一個超大質量黑洞從外部創造了一個星系，然後再跑到星系的中心。
這無疑是具有轟動性的。不過，目前只找到了一個這樣的例子。大質量星系的形成和類星體活動都出現在宇宙的早期，因此如果能在早期宇宙中看到其他類似HE0450-2958這樣的系統那將會是非常有意義和說服力的。
這也正是天文學家們目前正在進行中的。這個理論的優點就在於它並不依賴於尋找更多類似HE0450-2958這樣的裸類星體。超大質量黑洞的噴流有足夠的能量來把氣體雲轉變成星系，無論它們是裸類星體還是深藏於某個星系的中心。
有宿主星系的類星體HE1239-2426（右）和無宿主星系的類星體HE0450-2958（左）之間的比較。圖片來源：NASA/ESA/ESO/Frédéric Courbin/Pierre Magain。
甚至有可能一個類星體可以引發多個星系的形成。當某些類星體中有兩個尚未完全併合的超大質量黑洞時，它們的噴流會像燈塔一樣掃過不同的方向。噴流所到之處就會喚醒那裡的氣體。這也解釋了為什么正常星系往往都聚集在類星體的周圍。
不過有的天文學家的觀點正好相反，他們認為這一成團現象正好說明了是星系產下了類星體並把它拋射了出去。
一種更有趣的可能性是，星系形成甚至可能都不需要有「沉睡」的氣體雲的存在。這是因為噴流每年可以噴射出多達1億個太陽質量的物質，而這一狀態又可以維持大約幾億年。這意味著，在它們一生中，有可能會噴射出足夠建造一個大型星系所需的原材料。
那麼如何才能證明是類星體誘發了星系的形成呢？其關鍵是尋找一個比HE0450 -2958處於更早演化階段的類星體及其附近的星系，尤其是與低溫分子氣體雲相鄰的類星體，因為恆星正是從分子雲中形成的。
事實上，已經觀測到了一些這樣的系統。天文學家一直在為發現了和一氧化碳雲相鄰的類星體而困惑。但在這個理論下，它不但沒有任何問題，還具有重要的意義。
進一步地，天文觀測還證明超大質量黑洞在宇宙的早期就已達到它的最大質量。這表明，在星系形成前超大質量黑洞就已長成並統治著宇宙——正好和目前流行的觀點的相反。
當然，如果超大質量黑洞先形成，然後催生出了星系，那麼超大質量黑洞又是從何而來的？這是目前缺少的一環。
錢德拉X射線天文臺拍攝的銀河系中心區及其中央黑洞Sgr A*。圖片來源：NASA/CXC/MIT/F.K. Baganoff等人。
雖然沒有人確切知道，但還是有了一些想法。對類星體的觀測顯示，質量為太陽1千億倍的超大質量黑洞可以在宇宙大爆炸之後10億年內形成。多年來，天文學家都對此不知所措，不清楚這些龐然大物是怎樣如此神速地成長的。
一種觀點是，它們形成於小得多的、由恆星演化到末期坍縮而成的黑洞。在一個密度極高的星團中，幾個這樣的恆星質量黑洞可以併合成一個大黑洞，並且通過吸積物質繼續生長。但對這一觀點的批評指出，恆星質量黑洞根本就無法在宇宙大爆炸後的10億年內併合形成超大質量黑洞。
另一個方法則是形成一顆超大質量的恆星。如果這樣的一顆恆星一旦形成，它就會由於其核心的核聚變根本不足以產生足夠多的熱量來支撐其龐大的身軀而立即坍縮成一個超大質量黑洞。
根據計算，超大質量黑洞的種子會形成於超大質量恆星的內部，然後再以高速成長。最終，恆星的外層會爆炸暴露出隱藏在其中的黑洞。為了驗證這一想法，需要使用下一代的望遠鏡。
著名英國天文學家霍伊爾曾經證明，我們都來自星塵。但也許要不了多久就要補上一句，我們也都來自黑洞。
（編譯：Shea；排版：小嵐歐歐）
歡迎轉發至朋友圈
松鼠會ID : squirrelclub