发现类星体

关于类星体，还得从1960年说起。在1960年以前，射电天文学家已经记录了天空中几百个发射无线电波的天体，也叫射电源。光学天文学家现在已经成功地识别出这些天体中有一些是银河系内的气体云，另一些是银河系以外的射电星系，但是还有一些射电源却没有找到相对应的光学天体。人们猜想，它们大概也是射电星系，只不过是离我们太遥远了，不容易看见罢了，倒是没有什么奇特之处。但是，就在1960年，美国的天文学家利用当时世界上最大的口径的望远镜观测了一个名叫3C48的射电源，发现它并不是一个射电星系，而是一颗很暗的颜色发蓝的星。不久，又有人发现另一个射电源3C273也对应着一颗暗星。我们知道，一般恒星的射电发射是非常微弱的，而这种“星”却能发射那样强的无线电波，这就很值得认真研究了。用什么手段来观测和研究它呢？天体物理学家们动用了自己手中的强有力的武器，这就是光谱分析。科学家们观察到前面说的那些射电“星”的光谱是一种前所未见的奇异谱线，和过去他们观察过的几十万颗恒星的光谱都不一样。原来每一种原子、分子或者离子，都只能发射或者吸收特定波长的光线，把某一个天体发来的光分解成一条条的光谱线，就得到了这个天体按波长排列的光谱，我们根据光谱中各种谱线的波长就能够判断出这个天体中到底包含了哪些元素。奇怪!难道是组成这些天体的元素跟组成我们地球和一般恒星的元素不一样吗？要是不一样，这新元素又是什么样的呢？这些尚未解开的谜，向当代天文学和物理学的许多基本理论提出了尖锐的挑战。

为了解开这个谱线之谜，1963年，一位名叫施米特的科学家，仔细研究了上面说到的射电源3C273的光谱。他发现其中有4条谱线相互之间的间隔很像氢元素光谱中的4条谱线，只是3C273谱线的波长比正常氢元素谱线的波长要长得多。施米特大胆地设想，让正常氢元素那4条谱线向长波方向移动一段距离，那么，不就正好成了3C273的那4条谱线了吗？而且采用这种办法，其他射电“星”过去根本无法辨认的谱线现在也可以识别出来了，因此他得出这样的认识:这些天体上并没有什么未知的新元素，它们的光谱也就是地球上常见的一些元素的光谱，只不过是这些元素的谱线都向长波方向移动了一段距离而已。我们知道，人的眼睛可以看见的光分成赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色，其中紫光的波长最短，红光的波长最长，光谱线向长波方向移动，就叫作红移。红移对天文学家来说，并不是什么陌生的东西。一般恒星的光谱线也有红移现象，但是移动的数量很小，而奇怪的是这类射电“星”的谱线的红移量非常大，这种天体在光学望远镜中看来也像是恒星那样的一个小点，于是天文学家就给上述两种类似于恒星而又毕竟不是恒星的天体起了个总的名称，叫作类星体。到目前为止，测定了红移的数量大小不等的类星体已经有900多个。比一般恒星的红移要大上百倍甚至上千倍，比如:一条波长比紫光还要短的紫外波段谱线，经过这么大的红移以后，波长就变得接近红光了，后来人们又发现了一种虽然并不发射无线电波，但也同样有很大红移现象的天体。

类星体的谱线之谜到此看来似乎是被解决了，但没有那么简单，紧接着又出现了另一个更令人困惑不解的红移之谜。这就是类星体那么大的红移现象是怎么产生的？物理学中最常见的一种产生红移现象的效应是多普勒效应。什么是多普勒效应呢？举个例子，当我们坐在快速前进的火车上，如果前方也有一列鸣着汽笛迎面开来的火车，我们会感到对面那列火车的汽笛声比平时听到的尖锐刺耳得多，而当这列火车开过我们身旁以后，汽笛声就一下子低沉下来，这是因为朝着我们运动的声源发出的声波频率会变高，而背离我们而去的声源发出的声波频率会变低，这就叫多普勒效应。光波和声波一样，也有多普勒效应。当一个天体朝着我们运动的时候，它发的光的频率在我们看来就会变高，光的波长会变短，这就是紫移；相反当天体离开我们而去的时候，它发的光的频率变低，波长变长，这就是红移。按照美国天文学家哈勃在1929年总结出来的规律，红移越大，星系与我们距离越远，同时星系的运行速度也越高。20世纪以来的天文观测发现，数以亿计的河外星系的谱线都表现出红移，用多普勒效应来解释，表明这些星系都在离开我们而去。如果类星体的巨大红移也和河外星系一样遵循哈勃定律的话，那就表明它们都要到极其遥远的地方。根据哈勃定律，可以估计出它们都远在几十亿光年甚至上百亿光年之外，也就是说，我们今天接收到的类星体的光是它们在几十亿年甚至上百亿年前发出的。要知道太阳系的年龄只不过50亿年左右，人类的历史只有两三百万年，这就是说，在太阳系形成之前，这些光线就已经从类星体发出，踏上了漫长的旅程。当这些光线在茫茫宇宙中以每秒30万千米的速度一刻不停地前进的时候，我们的太阳诞生了，我们的地球诞生了，直到这些光线已经走完了它们路程的99%以上时，地球上才开始出现最初的人类。这说明类星体离我们非常遥远，而且还在继续以极高的速度背离我们向更远的远方奔去。如果类星体真是那样遥远，那么新的难题又产生了，因为它们离我们那么远，还能用望远镜看到，那亮度就非常大了!科学家们的计算已经表明，一个类星体发的光要比两个普通星系发的光还要强上百倍!更为离奇的是，类星体的直径比普通星系小得多，只有普通星系的上万分之一甚至百万分之一。

类星体的能量从何而来？这又是一个紧接着而来的能源之谜。这是一个使天文学家和物理学家们更感兴趣也更伤脑筋的难解之谜，于是产生了许多假说。有人设想它们的能量来源于超新星爆发，而类星体内每天都有一个超新星爆发；有的人猜测它们的能量来源于正反物质的湮灭；有人假定类星体中心有一个巨大的黑洞等。说法很多，但没有一个令人满意的答案。看来要想一下子解决这些疑难问题是不大可能的，这需要科学家们进行长期的辛勤的探索。现在已经找到一些看来比较有希望的途径，比如:对在类星体这个总名称下的大量天体，根据它们的形态结构、辐射特性等进行分类研究。另外，把类星体和其他一些和它相似的天体联系起来研究，也可能是一条可取的途径。类星体的存在反映宇宙的剧变，同样，这个“家族”的各个成员本身也可能产生混乱的剧变。如果这只是测量一颗类星体光谱特殊红移的问题，那么对宇宙学家来说，这个问题就很简单，即使他们对解答的含义还可能会有争执。我国的天体物理工作者，正是沿着这个途径在研究中取得了一些有价值的成果。但是事实上许多类星体光谱都显示出几种稍有差异的红移，不是在发射谱线上，而是在吸收谱线上。这个差异很重要，亮的发射谱线来自炽热的受激气体，而暗的吸收谱线则是冷气体处在光源和观察者之间时发出的，因此，原则上你可以指望在类星体所发出的光中看到任何一种红移吸收谱线，这种吸收谱线是类星体的光被处于我们同类星体之间任何距离上的冷气体云所吸收而产生的，但现在看来这不是合理的解释。在类星体光谱上所看到的吸收谱线形式表明，吸收云实际上同类星体有关联，这一点可揭示出这些高能天体结构方面的许多情况。

现已知道有几十颗类星体所显示的吸收红移略小于它们相应的发射红移，说明这些类星体被冷物质(冷物质可能是类星体核心处发生剧烈变化时喷出的)包围着。甚至对少数略大于相应发射红移的吸收红移也能作出解释，只要我们设想一下由类星体的核心处喷出的气体现在正往回落到类星体上，因而移动的速度比类星体单纯的宇宙速度稍快，但对那些吸收性红移远小于发射性红移的类星体又会作何解释呢？

有些情况下，在一颗类星体的光谱中可能发现许多完全不同的吸收红移，对这些情况最简单的解释是，在连续的剧烈辐射爆发中从类星体核心向外喷出了几个气体壳。在有些情况下，这种气体壳必须以光速的一半或大于一半的速度向外移动才能解释在一个天体内吸收红移与发射红移间的巨大差异，这就要求有很大的能量，即使是壳内的气体仅占整个类星体质量很小的一部分。

作为一种探测宇宙的手段，类星体所提供的范围的概念可以通过将红移转换成速度来表示。红移为2相当于光速一半的速度，观测天文学家正在加紧认证一颗红移为4的类星体。这一点同观测其他天体内剧烈高能辐射爆发的结果很符合，有助于天文学家搞清楚类星体与宇宙中其他天体间的关系。

整个20世纪60年代里，天文学家发现了大量奇异的天体:像天鹅座A一类的射电星系，在这个星系里巨大的爆发似乎曾喷出高能粒子，其他星系似乎也经历过巨大的中心爆发，留下了从它们的中心向外倾注的可见物质流。最近有证据表明，我们自己的银河系在遥远的过去也曾经历过某种类似的灾变性事件。从我们银河系这样的表面看来，普通的星系到混乱的塞佛特星系以及N型活动星系，这些活动星系的多样化向许多天文学家表明，星系的种类没有明显的分界线。他们不说有许多种类的星系，每一种都发生各种特殊的变化，而宁愿选取以下两种理论之一:或者说任何星系在它生命期中的任何时候都可能陷入这样一个辐射爆发中，甚至是陷入一连串这样的辐射爆发中；或者说在某些星系中所观测到的活动性是星系演化发展的一部分，活动星系在某种意义上说是处于像我们自己的银河系那样的星系的早期阶段。

在报道认证了3C273后刚好10年，《自然》杂志上另一篇报告宣布类星体0H471的发射红移为3.4。现在还知道有其他一对类星体具有这样大的红移，对这些红移的多普勒解释就是:这些类星体目前正在以大于90%的光速从我们这里退行。换言之，目前我们所看见的来自这些类星体的光是很久以前离开它们的，因而目前我们所看到的类星体实际上是宇宙很古老年代里的类星体。下面我们将会看到，这一点对于宇宙学来说是很激动人心的事。但从新天文学在首次发现射电星系以后的发展这个角度来看，其直接重要性却在于能找到这些天体及其重复的高能辐射爆发迹象同其他天文现象之间的联系。

这些理论立即为类星体提供了一种解释:这些类星体或者处于星系演化的最早阶段，或者我们所看到的类星体只不过是整个星系中正在爆发的明亮中心区。这样一种爆发是如此明亮，很可能使周围星系在对比之下看不见。这种见解看来是目前最好的一种见解。

在有关宇宙学和星系构造的方面，有时候有这样的说法:有多少理论家，就有多少种理论，至少关于细节部分的理论大概如此。因此我将选用1973年海尔天文台杰罗姆·克里斯琴所发表的一篇著作，作为我们当前对类星体的了解程度的一个例子。许多天文学家对这篇论述的一些细节可能会有异议，但是它基本上对类星体做出了合理的结论。

克里斯琴从塞佛特活动星系、N星系和类星体之间的类似性着手探讨。这些天体具有类似的光谱，它们全部属于同一种颜色，它们的变化方式大同小异，并且全部显现出大范围的活动性——没有任何“典型的”塞佛特星系、N星系或类星体。克里斯琴提出:类星体是“蛋”，由这只“蛋”生出塞佛特星系这只“小鸡”，再发育成N星系这只“母鸡”。这种提法似乎不完全令人满意，没有证据证明类星体本身正在从一种“类星体”似的状态演化成一种更“塞佛特星系”似的状态。这类研究的问题是，一颗像类星体的明亮天体在照相底片上曝光的面积要比该天体的实像大，一个亮光点显现为一个小点。一颗类星体图像的大小只取决于它的亮度，因为它是一个点光源，然而一个星系的图像既取决于星系的亮度，还取决于星系的体积除以它的距离，因此在选定什么样的类星体来考察其周围的星系的痕迹，需要某种技巧。这当然是人们可能争议的一点，但看来遵循克里斯琴的下列看法更为合理，即类星体实际上是在星系中心发生的剧烈事件，塞佛特星系与N星系已是这种活动性的明显例子。所需要的只是类星体事件须亮到足以遮蔽周围星系的光，并在照相底片上产生类星体的图像，这就是克里斯琴提出的理论。他用类星体照片来验证，希望它们能显现类星体周围的星系的迹象。

大多数对类星体的认证是采用天文学家的标准天图——帕洛玛巡天星图来进行的，这是一套用48英寸(1英寸=2.54厘米)施密特望远镜拍摄的照片。但克里斯琴采用了用加英寸巨型望远镜拍摄的照片，这台望远镜可揭示较暗淡的天体。只有在已指明哪些是重要光源之后才能这样做，因为加英寸的望远镜用来进行普通的巡天观测是过于贵重的一种研究工具，因此克里斯琴的方法在很大程度上依靠施密特望远镜拍摄的原始照片。

事实证明，当用十分大的望远镜观察类星体时，它们看上去确实是与一个隐晦的星系联系在一起，克里斯琴进行研究的时候，用加英寸的望远镜只拍摄了26颗类星体，但所有那些应当显示出一个隐晦的星系迹象的类星体都显现出星系迹象了。根据哈勃红移定律，所研究的26颗类星体中有14颗由于距离太远，应当看不见任何星系，即便是星系存在，克里斯琴也没有发现同这14颗类星体联系在一起的任何一个星系的迹象，这样一种反证对于证实这理论极为重要。这是克里斯琴的结论:他取得的观测结果同所有类星体都发生在巨大星系核心内的理论是一致的。

自从20世纪60年代中期以来，它一直使天文学家作难。虽然从照相底片上看，它恰如一颗类星体，但它的光谱是无特色的，既无亮线又无暗线，因此测不出它的红移，任何人都只能指出它或许是一颗正以极高的速度向我们飞来的红移类星体。1974年发表的某些新证据给克里斯琴的结论增添了很大分量。经过几年的集中研究后，天文学家用200英寸的望远镜发现了一颗特殊天体——蝎虎座BL，它似乎是嵌置在一个很普通的巨大星系的中心。这样就真正打乱宇宙学者的设想，用现时的见解来解释类星体在膨胀宇宙中的红移似乎不是非常贴切的。但现在秘密已经被揭穿，加利福尼亚的研究小组通过遮住明亮中心蝎虎座BL本身的图像，拍成了包围它的较暗的星系的照片。这些照片显示出一个小的红移，可以根据它算出至该星系和蝎虎座的距离。

根据蝎虎座BL的亮度和这一红移测量数据已证明，蝎虎座BL天体正在发射同遥远的类星体一样多的能量，如果这些类星体所处的距离的确是它们的红移所反映出来的距离，则说明这是一种非常大的能量，到现在无法确定能量从何而来。然而假如附近的蝎虎座BL能量状况也如此，那么就没有任何理由说明别的类星体不可能这样。同样，假如蝎虎座BL是处于星系的中心，那么也就毫无理由怀疑克里斯琴关于所有类星体都处于巨大星系核心的断言。

这似乎就是目前最好的学说。当然，在宣称对类星体已经了解以前，还有大量研究工作要作。是什么引起这些星系爆发？向它们提供动力的能量又是从什么地方来的？对此仍在争议，有人认为某些甚至全部红移或许都不服从哈勃定律。这些争议目前还不能完全排除，而且有可能提出某种迄今还不曾设想的学说对这些天体做出比以往任何一种假说更好的解释，然而按照目前(即3C273发现之后的第二个10年开始时)的情况来看，类星体似乎是产生于宇宙的冷却。但类星体毕竟不是供我们无法去认识宇宙的天体，反而是星系活动性和可变性的另一个表现形式。的确20世纪50年代以来所发现的射电星系很可能是类星体活动性的遗迹。最亮的和最遥远的类星体提供给宇宙学家一个探测可观察到的宇宙边缘的工具，不断改进类星体观测以及明显相关联的活动星系表明了宇宙变化性与活动性究竟有多大。到20世纪60年代中期，天文学家对于有关我们的宇宙的概念可能需要根据新天文学做重大修正的这个问题，也许比过去任何时候有思想准备。但即使如此，却没有一个人能为随之而来的一个使人震惊的发现有思想准备，这个发现不是宇宙边缘某种莫名其妙的天体，而是我们自己的天文后院，即我们自己银河系内一个前所未见的现象!