黑洞，这一神秘的天体，能吞噬一切经过它的物体——从尘埃到整颗恒星。实际上，黑洞的“摄食”过程非常混乱，同时自己也在快速旋转。它们不会一口吞下整顿“大餐”，如星际气体和尘埃等，而是让气体和尘埃像旋转木马一样围绕着黑洞旋转。一些粒子会以高能、明亮的粒子流的形式抛出黑洞，这称为“喷流”（jets）。星系中心的超大质量黑洞就能产生喷流，它有着超乎想象的尺度，甚至能影响到小恒星的诞生过程。本文将阐述对黑洞的一些了解，并介绍天文学家如何运用先进的望远镜探测黑洞喷流。不过，对黑洞及喷流的认识仍有待深入研究。
超大质量黑洞的秘密
如果你了解天文学，那么你对黑洞——宇宙中的神秘巨兽，定然不会陌生。如果你看到了黑洞，最好离它们远远的，因为它们的吞噬能力足以摧毁附近的一切。黑洞素有“饥饿天体”（hungry objects）的美誉。然而，天文学家们却认为，黑洞并非邪恶的巨兽，反而是星系中的无名英雄——只是“进食”的方式有些混乱。虽然黑洞神秘莫测，但有一点可以肯定：如果没有黑洞，我们的宇宙将大不相同。
以星系中心的超大质量黑洞为例（图1）。从名字就可以看出，它们具有极为庞大的质量——可达太阳质量的数十亿倍之多！关于这些特殊的天体，存在着许多有趣但费解的问题。例如，如此强大的天体是如何存在的？
图1 - 位于银河系中央的超大质量黑洞“人马座A*”的照片。
如今，科学家们普遍认为，超大质量黑洞起源于宇宙早期，涉及许多小型黑洞的合并。黑洞的体积越大，其吞噬能力也就越强。尽管目前还不清楚，超大质量黑洞在星系的形成和结构中起到什么作用；但科学家们发现，它们普遍分布在星系的中心（而不是边缘），且黑洞的质量越大，其周围恒星的运动速度就越快——这不像是简单的巧合。在过去数十年里，天文学家们积累了丰富的研究成果，揭示了黑洞混乱的吞噬行为的一些奥秘[1]。
当黑洞“吐出食物”时：喷流现象
近几年最有名的一张照片莫过于这张“甜甜圈光环”照（图2），它展示了一个超大质量黑洞[2]。那么，这个“甜甜圈”是由什么构成的呢？要解释这个问题，我们必须先了解黑洞的“饮食习惯”。
我们知道，质量较大的物体具有较大的引力，这意味着它们能够吸引质量较小的物体。就像你在地球上蹦蹦跳跳时，地球总是会把你拉回地面，这就是地球对人体的引力作用。超大质量黑洞会吸引、捕获并吞噬气体、恒星和较小的黑洞。
图2 - 这是迄今为止拍摄到的第一张黑洞照片。
不过，它们并不会吞噬周围的一切。如果太空中的气体粒子和云团不够接近黑洞，它们就不会被捕获，而是会因为黑洞的引力围绕着超大质量黑洞旋转。这就像地球绕着太阳转，是因为太阳的质量远大于地球。因此，这些气体粒子并没有直接落入黑洞内部，有朝一日或许会成为黑洞的“食粮”。不过，真实情况下，这个过程不是标准的“旋转木马”，而更像是浮在旋转木马上的碰碰车，因为气体粒子在围绕黑洞旋转时会发生碰撞[3]。
然而，气体粒子在接近黑洞的过程中，会以热和光的形式损失能量。这一现象导致了一个极其明亮的环状结构环绕着黑洞，看起来就像一个甜甜圈。天文学家将其命名为吸积盘（accretion disk），“吸积”的意思是指通过累积而增长。超大质量黑洞是星系中已知最大的天体，其吸积盘的亮度可达太阳的数万亿倍。实际上，尽管天文学家早在100年前就观测到了这些“甜甜圈”形成的辐射，但直到近日我们才有能力拍摄到超大质量黑洞的影像。
到这里，你可能会觉得这太酷了；然而，这还只是这场混乱剧幕的一部分。还有一个尚未提及的角色：磁场。实际上，太空中的气体粒子，无论带正电荷还是负电荷，都会携带微弱的磁场。当它们在吸积盘中升温变得炽热之时，它们的磁场也会变强，影响着靠近吸积盘或黑洞的新气体粒子的运动。
黑洞引力和吸积盘磁场的作用方向相反，使得这些后来靠近的气体粒子经历二者间的“拉锯战”——当引力将气体粒子拉向黑洞时，磁场却迫使它们沿着螺旋路径向外运动。如果磁力大于引力，气体粒子就会沿着垂直于吸积盘的方向飞离黑洞，进而形成自己的结构。这就好像一根蜡烛从甜甜圈的中央穿过并伸出，而在望远镜下，这看起来更像是黑洞抛出了它的“食物”。这些向外飞出的气体粒子被称为喷流（jets），因为它们有着接近光速的极高的速度。强大的喷流会闪耀着耀眼的光芒，而如果黑洞巨大，它的喷流可以传播到距离黑洞几千到几百万光年的地方，对整个星系的其它部分产生巨大的影响[4]。好消息是，不用担心，地球目前是安全的，因为离我们最近的大黑洞，人马座A*，并没有能量很高的喷流。
对喷流的观察充满了意外和惊喜：尽管许多黑洞会成对地形成喷流，有些黑洞只会形成一束。有的黑洞喷流的中间有弯曲，而有的黑洞则会形成多个喷流，并在不同时间喷发，好像它们还会时不时休息一下[5]！喷流的强度也会高低不定。尽管仍有许多未知之处，天文学家们却不懈地致力于研究喷流，借助超级计算机进行精密计算，以及建设大型射电望远镜，从而助力我们深入探索更为遥远、隐蔽的天际。
当喷流穿越太空中的气体云时，它不可避免地减速并与周围环境产生相互作用。就像飞机会在天空中留下白色尾迹一样，喷流也会形成如细丝、气泡等有趣的结构。不过，这些结构难以被肉眼观察，需要借助射电望远镜和X射线望远镜进行观测（图3）。天文学家已经通过这些望远镜捕捉到了黑洞及其喷流的许多影像。这些影像不仅极具观赏价值，还有助于揭示星系的命运与历史！在天文学中，精美的图片实际上能帮助我们了解宇宙运行的奥秘。
图3 - 天鹅座 A 星系的壮观图像。
消失的星星去哪儿了
和我们所处的银河系一样，许多星系都包含了数以亿计的恒星，且持续不断地诞生新的恒星。比如，银河系每年大约形成七颗新的恒星[6]。根据天文学的知识，当某些类型的气体达到一定的低温时，它们就会自然地成为恒星形成的基础。然而，只根据这一理论的推算，许多星系中恒星的理论数量会多于科学家们实际看到的。这是为什么呢？
实际上，这一切也有赖于超大质量黑洞对恒星领地的“侵占”，因为高温、高能量的喷流会将路径上较冷的气体云吹散并加热，而剩下的气体不足以孕育出小恒星。也许黑洞不太喜欢小恒星！
不过，这些过程也有反作用。当较冷的气体被黑洞喷流冲走时，黑洞附近的气体量也会减少，这实际上是在给黑洞“减肥”。黑洞的吞噬量越少，喷流的威力就越小。最终，喷流的力度将无法阻止新恒星的形成。这就形成了一个循环：当黑洞周围聚集了足够多的气体粒子后，被黑洞吸引的粒子会提高喷流的强度，并让没有落入黑洞的气体粒子被喷流吹走，干扰新恒星的形成。当带走的气体足够多时，循环就会再度启动[7]。
通过对星系中恒星生成率的计算和星系中心气体温度的测量，天文学家们就能估计喷流的威力，以及它们吹走气体的效率。不过，这个过程的许多细节仍不清楚，毕竟目前人类对黑洞的运作机制仍缺少了解——例如，在极为罕见的情况下，天文学家还观测到与本文所述截然相反的现象，即黑洞促进（而非阻碍了）小恒星的形成[8]。
总结
总之，超大质量黑洞充满了无尽的神秘与魅力，它们在星系的形成和演化过程中扮演着非常重要的角色。吸积盘与喷流的生成、喷流与气体云的相互作用以及恒星的诞生，都是几十年来吸引着天文学家的巨大谜题。人类尚处于探索的初级阶段，而天文学家们也将持续建造新型望远镜，来获取更多黑洞与星系的影像，从而更为深入地研究它们。
参考资料
[原始文章] Lü Y and Diamante L (2023) How Supermassive Black Holes Shape Galaxies. Front. Young Minds. 11:1032977. doi: 10.3389/frym.2023.1032977 [licensed under CC-BY]
[1] Ferrarese, L., and Merritt, D. 2000. A fundamental relation between supermassive black holes and their host galaxies. ApJ. 539:L9–L12. doi: 10.1086/312838
[2] The Event Horizon Telescope Collaboration, Akiyama, K., Alberdi, A., Alef, W., Asadaet, K., et al. 2019. First M87 event horizon telescope results. I. The shadow of the supermassive black hole. Astrophys. J. Lett. 875:L1. doi: 10.3847/2041-8213/ab0ec7
[3] Shakura, N. I., and Sunyaev, R. A. 1973. Black holes in binary systems. Observational appearance. Astron. Astrophys. 24:337–55. doi: 10.1007/978-94-010-2585-0_13
[4] Fabian, A. C. 2012. Observational Evidence of Active Galactic Nuclei Feedback 2012. ARAA. 50:455–89. doi: 10.1146/annurev-astro-081811-125521
[5] Lister, M. L., and Homan, D. C. 2005. MOJAVE: monitoring of jets in active galactic nuclei with VLBA experiments. I. First-epoch 15 GHz linear polarisation images. Astron. J. 130:1389–417. doi: 10.1086/432969
[6] Diehl, R., Halloin, H., Kretschmer, K., Lichti, G. G., Sch?nfelder, V., Strong A. W., et al. 2006. Radioactive 26Al from massive stars in the Galaxy. Nature. 439:45–7. doi: 10.1038/nature04364
[7] Di Matteo, T., Colberg, J., Springel, V., Hernquist, L., and Sijacki, D. 2008. Direct cosmological simulations of the growth of black holes and galaxies. APJ. 676:33–53. doi: 10.1086/524921
[8] Dasyra, K. M., Paraschos, G. F., Bisbas, T.G., Combes, F., and Fernández-Ontiveros J. A. 2022. Insights into the collapse and expansion of molecular clouds in outflows from observable pressure gradients. Nat. Astron. 6:1077–84. doi: 10.1038/s41550-022-01725-9