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面人马座A＊的射电光度相对于密近双星系统而言过强，另一方面其X射线光度相对说来又太弱。
爆发不久的超新星遗迹可以是强射电源，但这种解释的困难在于，膨胀速度将远大于人马座A＊15公里／秒的观测值。
人马座A＊不可能只有通常恒星那样的质量。假如是那样，该射电源就会具有银心区域恒星的典型速度，即150公里／秒，于是该源就会表现出在天球上的缓慢运动，然而从未被观测到。相反，观测证实该源是静止在银河系中心，因而其质量必定大于恒星。所以，一个质量为数百万MW处在缓慢吸积状态的黑洞，才是唯一能与所有射电天文观测相吻合的模型。现在，这个模型必须由对银心另一个“窗口”的观测来检验，这就是红外观测。
红外天文学是随着由IRAS（红外天文卫星）等卫星携带的精密探测器的升空而开始的，迄今不过数年历史。已经发现，人马座A＊的致密射电源位置与一个被称为IRS 16的红外源几乎完全重合。这个红外源非常致密，银心30光年区域的总光度可能几乎都由它贡献，它也加热和照亮人马座A西的气体，那么它的本质是什么呢？
恒星处于红巨星阶段时是很强的红外辐射源。通过测量IRSI6的红外辐射流，是可能追溯出作为辐射源的红巨星的。再假定一个“正常”的红巨星比率，就可以推出IRS16中的恒星分布。用这个方法得出，必定有200万颗恒星在半径为5光年的范围内运动，这是极高的恒星密度，比球状星团里的还要高1000倍。
但是，红巨星并不是唯一的红外辐射源。光谱测量显示，围绕IRS 16的轨道上的气体云被加热到了开氏300度，也发出红外辐射。如果红巨星能被用来推测恒星密度，那么气体云的运动就能指示出IRSI6的总质量这个重要信息。这里作了一个简单假设，即气体是在引力作用下作圆周运动。于是，由多普勒频移计算出来的云的轨道运动速度就提供了对中心质量的直接量度，这样得到的结果是在500万到800万Mpe间。既然这个区域里恒星的总质量只有200万MC那就必定有300万到600万M的看不见的质量。银心巨型黑洞的模型因而得到红外天文学的强有力支持（另外，已探测到的X射线和伽玛射线辐射也表明致密源的存在人最后还应该考虑一下X射线区域。1990年发射的法国一前苏联卫星西格玛是把银心作为首要目标的。第一个意外是发现了一个强大的X射线源，但其位置并不与人马座A＊或IRS16重合，而是至少相距300光年。与已经被说得太多的相反，这个发现根本不与大黑洞的存在相抵触，因为黑洞若不吸积，也就不会发出高能辐射。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