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�