黑洞-第31部分
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且桓龅阍矗蚨叨缺囟ê苄。饬拷峁渲本缎∮�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
