黑洞是宇宙中最神秘的天體之一，其引力強(qiáng)大到足以完全扭曲周?chē)臅r(shí)空。任何東西（包括光）一旦落入黑洞的事件視界，都無(wú)法逃脫。我們之所以能夠確定黑洞是真實(shí)存在的，是因?yàn)樵谒鼈冎車(chē)?/span>放的大量能量可以產(chǎn)生能被探測(cè)到的信號(hào)，即便這些信號(hào)需要數(shù)百萬(wàn)年才能到傳達(dá)到我們的探測(cè)器中。

在所有的信號(hào)中，X射線(xiàn)是許多天文學(xué)家感興趣的。而在X射線(xiàn)天文學(xué)領(lǐng)域中，天體物理學(xué)家安德魯·費(fèi)邊（Andrew Fabian）無(wú)疑是一位領(lǐng)軍者。他的研究跨越高能天體物理學(xué)的許多領(lǐng)域，而他尤為密切地關(guān)注由位于明亮星系中心的超大質(zhì)量黑洞所發(fā)出的X射線(xiàn)，他以此來(lái)研究超大質(zhì)量黑洞對(duì)其周?chē)臻g的影響。他的理論和觀測(cè)揭示了這些黑洞在星系和星系團(tuán)的演化過(guò)程中所起到的作用。

鑒于費(fèi)邊的許多開(kāi)創(chuàng)性研究，以及他對(duì)黑洞在大尺度和小尺度上如何影響其周?chē)窍颠@一奧秘的不懈追求，他被授予了2020度的科維理天體物理學(xué)獎(jiǎng)（Kavli Prize in Astrophysics）。

 劍橋大學(xué)的安德魯·費(fèi)邊是當(dāng)代最多產(chǎn)、最富影響力的天文學(xué)家之一。在大尺度領(lǐng)域，他在揭示在星系團(tuán)中的星系際氣體的加熱和冷卻機(jī)制扮演著重要角色；在小尺度領(lǐng)域，他預(yù)測(cè)并與他人共同發(fā)現(xiàn)了來(lái)自黑洞周?chē)母咚賆射線(xiàn)光譜發(fā)射，并由此發(fā)展出一種強(qiáng)大的測(cè)量黑洞自旋的方法。費(fèi)邊廣博的知識(shí)和對(duì)不同尺度的深刻見(jiàn)解，為這些不同現(xiàn)象究竟是如何相互聯(lián)系的提供了關(guān)鍵的物理理解。| 圖片來(lái)源：

天文學(xué)家認(rèn)為，幾乎所有星系的中心都隱藏著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。與由大質(zhì)量恒星坍縮形成的恒星級(jí)黑洞相比，超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量有時(shí)可以達(dá)到數(shù)十億倍的太陽(yáng)質(zhì)量。

超大質(zhì)量黑洞的巨大引力會(huì)將圍繞在它周?chē)拇罅繗怏w拉入它的掌控范圍。大部分經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途跋涉后到達(dá)黑洞附近的氣體并不會(huì)“正中目標(biāo)”地落入黑洞中，而是稍微掠過(guò)黑洞，然后再被黑洞回拉入一個(gè)螺旋軌道。這導(dǎo)致在黑洞的周?chē)纬闪艘粋€(gè)薄薄的“吸積盤(pán)”，吸積盤(pán)中的粒子發(fā)生碰撞后會(huì)釋放能量，而其中大部分能量都處于X射線(xiàn)頻段。

 黑洞周?chē)闹藷嵛e盤(pán)會(huì)釋放出大量輻射。

我們?cè)诘乇砩鲜强床灰?jiàn)這些來(lái)自宇宙深處的X射線(xiàn)的，因?yàn)榇髿鈺?huì)將它們阻擋，科學(xué)家只能從太空中觀測(cè)它們。在20世紀(jì)70年代早期，研究人員首次測(cè)量了來(lái)自一個(gè)名為天鵝座X-1的類(lèi)黑洞源的輻射，在那之后，又有一系列更精密的X射線(xiàn)衛(wèi)星被發(fā)射升空。

1995年，費(fèi)邊和他的同事報(bào)告了他們?cè)谝恍┨綔y(cè)到的X射線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)黑洞為吸積盤(pán)提供動(dòng)力的跡象：在幾個(gè)非常明亮的星系中，他們注意到X射線(xiàn)光譜中的鐵線(xiàn)比預(yù)期的要寬，而且其頻率比預(yù)期的略低。他們將這解釋為是由廣義相對(duì)論所導(dǎo)致的一種效應(yīng)，費(fèi)邊和其他研究人員在更早的時(shí)候預(yù)測(cè)了這種效應(yīng)——從外部測(cè)量時(shí)，靠近強(qiáng)引力源的時(shí)間會(huì)變慢。

 活躍星系NGC 1275是眾所周知的一個(gè)射電源（英仙射電源A），該星系的中心存在一個(gè)黑洞，是一個(gè)很強(qiáng)的X射線(xiàn)源。| 圖片來(lái)源：G. Taylor/VLA/NRAO/CXC/NASA & A. Fabian/Hubble Heritage/ESA

基于這一研究，費(fèi)邊發(fā)現(xiàn)可以測(cè)量到黑洞附近的兩種截然不同的X射線(xiàn)發(fā)射，一種是由吸積盤(pán)直接產(chǎn)生的，還有一種是由其他接近黑洞的熱電子在從吸積盤(pán)被彈回到空間中之前產(chǎn)生的。通過(guò)測(cè)量這兩種發(fā)射之間的延時(shí)，他們繪制出了吸積盤(pán)中的氣體，并測(cè)得了黑洞的自旋速度。

除此之外，費(fèi)邊還利用X射線(xiàn)的數(shù)據(jù)來(lái)研究黑洞在更大距離上的影響。他提出了一個(gè)困擾了天文學(xué)家數(shù)十年的問(wèn)題，即星系團(tuán)中的星系際氣體是從哪里獲得能量的？他為這個(gè)問(wèn)題找到了一個(gè)解答。在某些明亮的星系團(tuán)中，星系之間的氣體溫度應(yīng)該低到足以聚集在一起形成新的恒星。但天文學(xué)家并沒(méi)有觀測(cè)到這種類(lèi)型的恒星形成，而且他們測(cè)量到的氣體溫度比它們?cè)跊](méi)有額外能量來(lái)源的情況下本該有的溫度高出數(shù)百萬(wàn)度。

 英仙座星系團(tuán)中心的周?chē)鷩@著被加熱了的氣體，由錢(qián)德拉衛(wèi)星所拍攝的X射線(xiàn)圖像。| 圖片來(lái)源：A.Fabian et al/IoA/CXC/NASA

從幾張由錢(qián)德拉衛(wèi)星拍攝到的英仙座星系團(tuán)的X射線(xiàn)圖像中，費(fèi)邊和他的同事發(fā)現(xiàn)了一些線(xiàn)索。這些圖像顯示了星團(tuán)內(nèi)部的一系列特征，包括中央的黑暗區(qū)域，以及向外擴(kuò)散的波紋。

 英仙座星系團(tuán)中心的黑色區(qū)域以及向外擴(kuò)散的波紋（或聲波），中央的白色亮點(diǎn)代表黑洞。| 圖片來(lái)源：M. Weiss / NASA

費(fèi)邊認(rèn)為，這類(lèi)特征是由于能量從中心的黑洞向周?chē)鷼怏w轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的。其想法是，那些黑色區(qū)域是當(dāng)物質(zhì)噴流從黑洞中以垂直的角度噴射到吸積盤(pán)時(shí)與氣體相撞而形成的氣泡。隨后產(chǎn)生的巨大壓力以一系列聲波的形式向外傳播，使氣體升溫。

這項(xiàng)工作為費(fèi)邊贏得了一項(xiàng)吉尼斯世界紀(jì)錄：他發(fā)現(xiàn)了“宇宙中最深沉的音符”——一個(gè)比中央C低了57個(gè)八度的降b調(diào)，這是一種沒(méi)有人能聽(tīng)到的聲音。但這項(xiàng)研究也強(qiáng)調(diào)了黑洞在星系演化中所扮演的核心角色，在這種情況下，黑洞通過(guò)產(chǎn)生負(fù)反饋來(lái)限制自身和周?chē)阈堑某砷L(zhǎng)。這或許也解釋了為何星系的質(zhì)量與寄居在它們中心的超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量有關(guān)。

這種黑洞反饋的想法現(xiàn)在被廣泛接受。更重要的是，費(fèi)邊發(fā)現(xiàn)那些在質(zhì)量更小的星系中的黑洞也能傳遞能量，但傳遞得更為直接，這種情況下的黑洞所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的X射線(xiàn)和紫外線(xiàn)輻射，可以將塵埃氣體推離出宿主星系。

關(guān)于這些過(guò)程的一些細(xì)節(jié)仍有待填補(bǔ)，比如黑洞的自旋對(duì)加熱的影響程度。但拋開(kāi)這些細(xì)節(jié)不談，現(xiàn)在天文學(xué)家已經(jīng)明確，黑洞是加熱星系際氣體的中央引擎?？凭S理天體物理學(xué)委員會(huì)主席Viggo Hansteen說(shuō)：“每當(dāng)解決一個(gè)問(wèn)題，就會(huì)有其他問(wèn)題浮現(xiàn)，但一個(gè)核心的問(wèn)題——‘是什么在加熱氣體？’已經(jīng)得到了解決。”