類(lèi)星體與黑洞誰(shuí)威力大

本文格式為Word版，下載可任意編輯——類(lèi)星體與黑洞誰(shuí)威力大經(jīng)常有這樣的情形，一個(gè)新的察覺(jué)可以變更我們對(duì)整個(gè)宇宙的熟悉。1610年，伽利略用一臺(tái)折射望遠(yuǎn)鏡察覺(jué)了木星的衛(wèi)星，這扶助人們變更了地球是太陽(yáng)系中心的觀點(diǎn)。另一次是20世紀(jì)20年頭，當(dāng)埃德溫·哈勃觀測(cè)M31以及其它“旋渦星云”中的變星時(shí)，表明了這些模糊的天體其實(shí)是銀河系以外的獨(dú)立星系，這一察覺(jué)使人類(lèi)熟悉的宇宙遠(yuǎn)遠(yuǎn)擴(kuò)大到銀河系之外。

50年前，天文學(xué)再次迎來(lái)了一次里程碑式的進(jìn)展。33歲的加州理工學(xué)院教授施密特（MaartenSchmidt）使用當(dāng)時(shí)世界上最大的望遠(yuǎn)鏡——帕洛瑪天文臺(tái)的出名的200英寸（約合5米）海爾望遠(yuǎn)鏡，測(cè)量了一個(gè)類(lèi)似恒星的奇異天體的光譜，結(jié)果察覺(jué)這顆“恒星”并非看起來(lái)那樣簡(jiǎn)樸。三年后，施密特的察覺(jué)使他登上了出名的《時(shí)代周刊》的封面，盡管當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界對(duì)他和其他人的有關(guān)觀測(cè)結(jié)果照舊百思不得其解。在那時(shí)，雖然人們尚未完全采納施密特的這一察覺(jué)，但它將會(huì)為探索宇宙最遙遠(yuǎn)的地帶開(kāi)啟一扇大門(mén)。

探索光學(xué)對(duì)應(yīng)體

射電天文學(xué)的展現(xiàn)為類(lèi)星體的察覺(jué)鋪平了道路。其次次世界大戰(zhàn)中雷達(dá)的迅猛進(jìn)展，導(dǎo)致星空中的自然射電源被偶然察覺(jué)。在接下來(lái)的數(shù)十年間，射電天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了很大一片面天空。但是要深入了解一個(gè)單顆射電源，通常首先需要找到其光學(xué)對(duì)應(yīng)體，這是一項(xiàng)似易實(shí)難的任務(wù)。

直到上世紀(jì)70年頭末，射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果還相對(duì)地對(duì)比粗糙。在高精度相干觀測(cè)法展現(xiàn)以前，射電天文學(xué)家們只能粗略地測(cè)出一個(gè)射電源的位置。要想在一片看似普遍的恒星和星系中識(shí)別出射電源的光學(xué)對(duì)應(yīng)體是極為困難的，除非有一個(gè)明顯的奇怪光源正好和射電源的模糊位置相對(duì)應(yīng)。

天文學(xué)家CyrilHazard研發(fā)了一種高明的射電源定位方法——月掩星法。當(dāng)月面從一個(gè)射電源前方經(jīng)過(guò)時(shí)，它的信號(hào)就會(huì)被立刻遮掩，這時(shí)其位置就在月面邊緣所處的一段弧線(xiàn)上。當(dāng)該射電源在月面另一側(cè)重新展現(xiàn)，或者月面以稍有不同的路徑再次將其遮掩時(shí)，就能確定其次段弧線(xiàn)。這兩段弧線(xiàn)交點(diǎn)就是該射電源的切實(shí)位置。

Hazard及其同事使用位于澳大利亞的出名的帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)了射電源3C273的的三次月掩星，3C273代表《劍橋第三射電源表》上的第273個(gè)源，編號(hào)是以天體位置的赤經(jīng)排序的。他們對(duì)這個(gè)射電源的定位精度達(dá)成了亞角秒量級(jí)（如需了解更多關(guān)于Hazard工作的信息，可登錄/3c273）。后來(lái)的觀測(cè)顯示，它與兩個(gè)可見(jiàn)光源對(duì)應(yīng)：3C273A看起來(lái)像是出自3C273B的一道纖細(xì)噴流，而后者那么是一個(gè)相當(dāng)亮堂的13等天體，看上去像是一顆恒星。3C373B不同于其它照片中恒星的點(diǎn)狀外觀，看起來(lái)貌似被包裹在一團(tuán)暗淡的模糊光斑中。

在帕洛瑪天文臺(tái)，施密特開(kāi)頭著手研究這些光學(xué)對(duì)應(yīng)體的性質(zhì)。獲取了射電源的切實(shí)位置后，他應(yīng)用了天文學(xué)中最強(qiáng)大的分析工具——光譜。不過(guò)他拍攝的可見(jiàn)光光譜反而讓問(wèn)題更繁雜了。3C273B的光譜特征是完全目生的，在人們預(yù)想的譜線(xiàn)位置上，儼然是空白一片，什么也沒(méi)有。

不過(guò)幾周后，施密特察覺(jué)，其實(shí)3C273B的光譜中有一組分外熟諳的譜線(xiàn)：氫原子光譜的巴耳末線(xiàn)系。不過(guò)它在光譜中紅移了16%。

一個(gè)學(xué)生最近提出一個(gè)問(wèn)題，為什么3C273的紅移沒(méi)有被立刻察覺(jué)？終究，這種形式的放射譜線(xiàn)與恒星形成區(qū)和行星狀星云的譜線(xiàn)好像。類(lèi)似的譜線(xiàn)在賽弗特星系中也能看到，賽弗特星系是擁有亮堂星系核的近距離旋渦星系，后來(lái)證明這種星系是類(lèi)星體的“失敗”近親，在確定意義上說(shuō)就是較暗弱的類(lèi)星體。

要理解為什么說(shuō)施密特的察覺(jué)是一項(xiàng)宏偉的成就，可以先看一下后文中的原始資料。Schmidt務(wù)必首先拍攝光譜，而在1963年，對(duì)光譜的解釋工作更像是一門(mén)技巧，而不是科學(xué)。將200英寸海爾望遠(yuǎn)鏡獲取的光譜，與現(xiàn)代使用94英寸（約合2.4米）的Hiltner望遠(yuǎn)鏡上的CCD探測(cè)器記錄的光譜相對(duì)比，微弱的低比較度特征在CCD光譜中立刻可以被認(rèn)出是放射線(xiàn)，而同樣的特征在攝影光譜中幾乎無(wú)法看出，即便高比較度的譜線(xiàn)也顯得特別彌散。

遙遠(yuǎn)而亮堂的天體

為什么這16%的紅移令人驚詫?zhuān)?/p>

天文學(xué)家早已知道宇宙膨脹可以導(dǎo)致遙遠(yuǎn)天體的光譜線(xiàn)發(fā)生紅移，結(jié)果就是越遙遠(yuǎn)的天體看起來(lái)其退行速度就越快。甚至在上世紀(jì)60年頭初期，天文學(xué)家們就已經(jīng)察覺(jué)了紅移高達(dá)20%的遙遠(yuǎn)星系團(tuán)，它們的紅移比3C273更大。

不過(guò)這些星系團(tuán)并沒(méi)有3C373的超高亮度。越遙遠(yuǎn)的天體看起來(lái)越暗弱，所以假設(shè)3C373真的距離地球20億光年，那么它的亮度將至少是當(dāng)時(shí)已知的最亮堂星系的40倍。

此外，施密特在他的原始論文中認(rèn)為，假設(shè)該類(lèi)星體的噴流（3C273A）源于3C273B，那么它務(wù)必至少延遲16萬(wàn)光年。即使它以光速運(yùn)動(dòng)，這一噴流要想達(dá)成當(dāng)前的長(zhǎng)度也至少要16萬(wàn)年的時(shí)間；由于它的速度確定遠(yuǎn)不及光速，因而所需時(shí)間甚至斷定更長(zhǎng)。假設(shè)3C273B總是保持同一亮度，那么在這段時(shí)間內(nèi)，它輻射出的總能量將會(huì)比1億顆超新星的能量更大。盡管如此，施密特照舊堅(jiān)持“最直接而至少可采納”的解釋?zhuān)?C273的紅移是宇宙膨脹造成的。

但是，好多天文學(xué)家照舊對(duì)它能夠在這樣長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生如此巨大的能量感到質(zhì)疑。尤其當(dāng)查看到個(gè)別類(lèi)星體在數(shù)天內(nèi)，而不是在數(shù)月或數(shù)年內(nèi)就發(fā)生了亮度變化時(shí)，問(wèn)題就變得更加繁雜了。觀測(cè)結(jié)果顯示，某些天體儼然在幾光天的空間范圍（差不多等于太陽(yáng)系的大?。﹥?nèi)，產(chǎn)生了和一個(gè)星系相當(dāng)?shù)墓舛?。是什么在如此小的空間內(nèi)制造了如此大的能量？

由于需要這么多的能量，有一些天文學(xué)家認(rèn)為，類(lèi)星體的紅移可能并不是宇宙膨脹造成的。他們提出，類(lèi)星體的距離可能并沒(méi)有那么遙遠(yuǎn)，可能它們就在本星系群鄰近。

當(dāng)時(shí)有三種可選擇的理論允許假定類(lèi)星體位于鄰近宇宙之中：

一、類(lèi)星體可能是以接近光速運(yùn)動(dòng)的鄰近天體。

二、類(lèi)星體的光可能發(fā)生了引力紅移，由于黑洞的巨大引力，它在逃離過(guò)程中損失了能量。

三、類(lèi)星體的紅移現(xiàn)象可能是由于某種未知的“新物理學(xué)”造成的。

不過(guò)這三種可能答案都存在疑點(diǎn)。假設(shè)類(lèi)星體以接近光速運(yùn)動(dòng)，那么按照相對(duì)論，藍(lán)移的類(lèi)星體將比紅移的類(lèi)星體更輕易被探測(cè)到，不過(guò)至今沒(méi)有察覺(jué)這種處境。這大大降低了類(lèi)星體是鄰近天體的可能性。同時(shí)類(lèi)星體的光被引力紅移的觀點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致各種沖突：發(fā)出這種放射線(xiàn)所需的大量低密度氣體務(wù)必存在于一個(gè)強(qiáng)引力場(chǎng)中，而這么強(qiáng)的引力場(chǎng)會(huì)將物質(zhì)壓縮至無(wú)法形成放射線(xiàn)的極高密度。第三種解釋那么純粹是一種揣摩，沒(méi)有任何證據(jù)支持。

在施密特的察覺(jué)以后，關(guān)于類(lèi)星體紅移的論戰(zhàn)持續(xù)了15年，直到抉擇性證據(jù)展現(xiàn)，表明了類(lèi)星體確實(shí)是分外遙遠(yuǎn)的天體。1978年，AlanStockton（夏威夷大學(xué)）表明，類(lèi)星體處在具有一致紅移的普遍星系之中，有時(shí)候其紅移量甚至比預(yù)期的更大。

更多的證據(jù)進(jìn)一步表明了類(lèi)星體的極遠(yuǎn)距離：DennisWalsh（焦德雷班克天文臺(tái)）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)證認(rèn)出了第一個(gè)因前景星系而發(fā)生引力透鏡作用的類(lèi)星體，這種現(xiàn)象只能在宇宙學(xué)距離的前提下才能解釋。而在1982年，ToddBoroson和JohnBeverlyOke（帕洛瑪天文臺(tái)）研究了另一個(gè)出名類(lèi)星體3C48周邊的模糊光斑，表明那是來(lái)自其宿主星系的星光。

類(lèi)星體的能源

假設(shè)說(shuō)類(lèi)星體紅移是宇宙學(xué)性質(zhì)的，那么就存在一個(gè)能量來(lái)源的問(wèn)題。無(wú)論其能源是什么，它都務(wù)必能夠在一個(gè)太陽(yáng)系大小的很小體積內(nèi)釋放出巨大的能量。

幾位天體物理學(xué)家——蘇聯(lián)的YakovZel’dovich和IgorNovikov，康奈爾大學(xué)的EdwinSalpeter在1964年，英國(guó)劍橋大學(xué)的DonaldLynden-Bell在1968年，分別獨(dú)立提出，唯一可行的解釋是氣體被吸積到數(shù)百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的巨大黑洞之中。盡管根據(jù)定義黑洞不能發(fā)光，不過(guò)當(dāng)它吞食氣體時(shí)卻會(huì)變成強(qiáng)大的光源。當(dāng)氣體旋轉(zhuǎn)落入巨大黑洞中時(shí)，會(huì)釋放出重力勢(shì)能，形成籠罩整個(gè)電磁波譜的輻射。

到了1984年，劍橋大學(xué)的出名天文學(xué)家馬丁·里斯令人信服地指出，星系核的任何活動(dòng)都不成制止地導(dǎo)致形成一個(gè)特大質(zhì)量黑洞。盡管直接的觀測(cè)證據(jù)照舊并不充分，但天文學(xué)家們開(kāi)頭傾向于采納特大質(zhì)量黑洞的吸積活動(dòng)是類(lèi)星體能源的觀點(diǎn)，由于這種解釋是當(dāng)時(shí)僅剩的結(jié)果一種可能。

有意思的是，表明特大質(zhì)量黑洞存在的第一個(gè)有力證據(jù)并非來(lái)自類(lèi)星體，而是它們看上去并不活躍的“同胞”。圍繞星系中心運(yùn)轉(zhuǎn)的氣體和恒星證明，幾乎全體大型星系的中央都寄宿著特大質(zhì)量黑洞。類(lèi)星體與普遍星系的唯一識(shí)別在于，它們的中心黑洞吞食物質(zhì)的多少。

類(lèi)星體的布局

多年來(lái)，天文學(xué)家逐步梳理出了類(lèi)星體的完整故事：這些奇異的天體如何演化，以及它們的真實(shí)面貌到底如何。不過(guò)在回復(fù)這些問(wèn)題之前，首先要找到更多的類(lèi)星體。

最初，天文學(xué)家們用射電波區(qū)分類(lèi)星體與普遍恒星。類(lèi)星體的射電波來(lái)自其亮堂的噴流，這種噴流是從星系中心爆射而出，進(jìn)入星系際空間中的。不過(guò)天文學(xué)家很快意識(shí)到，類(lèi)星體的其它性質(zhì)，例如其特殊的光譜、多變性以及X射線(xiàn)放射等，都可以將它們從鄰近的恒星中識(shí)別出來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中，他們察覺(jué)，相對(duì)輕易被找到的“射電強(qiáng)”（現(xiàn)在活動(dòng)星系核被分為“射電強(qiáng)”與“射電弱”兩類(lèi)——編者注）的類(lèi)星體其實(shí)只占全部數(shù)量的5%到10%。

到上世紀(jì)80年頭初，各種觀測(cè)工程已經(jīng)察覺(jué)了數(shù)十萬(wàn)個(gè)類(lèi)星體，目標(biāo)的距離也越來(lái)越遠(yuǎn)。斯隆數(shù)字化巡天是一個(gè)籠罩全天四分之一的自動(dòng)觀測(cè)工程，它在過(guò)去8年間察覺(jué)了超過(guò)12萬(wàn)顆類(lèi)星體。隨著類(lèi)星體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)越來(lái)越完備，完整的演化過(guò)程也最終被勾畫(huà)了出來(lái)。

目前的理論認(rèn)為，在星系的形成時(shí)期，類(lèi)星體就在星系核中開(kāi)頭成長(zhǎng)，那時(shí)候宇宙的年齡只有數(shù)億年。30億年后，類(lèi)星體的數(shù)量達(dá)成峰值。不過(guò)之后的數(shù)十億年里，由于特大質(zhì)量黑洞逐步耗盡了氣體供應(yīng)，導(dǎo)致其晚年變得越來(lái)越寧?kù)o。

事實(shí)上，類(lèi)星體可能是被自己破壞的：極高的自身光度將正在被吸積的氣體加熱到極高的溫度，甚至將其完全吹走。結(jié)果就是黑洞的物質(zhì)供應(yīng)缺乏，而在黑洞年輕時(shí)，卻由于這些燃料而有極高的亮度。曾在100億年前統(tǒng)治宇宙的類(lèi)星體的全部遺骸，就是目前寧?kù)o地蟄伏于鄰近的大型星系中心的特大黑洞。

盡管目前沒(méi)有望遠(yuǎn)鏡可以在如此遠(yuǎn)的距離上直接拍攝到類(lèi)星體的精細(xì)布局，不過(guò)50年來(lái)的研究已經(jīng)找到了大量探索其真實(shí)面貌的間接方法。全體理論的根基都一樣：那里有一個(gè)氣體吸積盤(pán)向特大質(zhì)量黑洞供給物質(zhì)。但是概括細(xì)節(jié)照舊很難探究。

觀測(cè)顯示，一些類(lèi)星體被一圈塵埃所包圍，更加是那些光度較低的類(lèi)星體。塵埃環(huán)可能是吸積盤(pán)本身的延遲，也可能與吸積盤(pán)吹出的風(fēng)有關(guān)。無(wú)論哪種處境，這些塵埃若要存在，就務(wù)必遠(yuǎn)離吸積盤(pán)內(nèi)部的強(qiáng)光和高熱。從赤道方向透過(guò)這層阻礙查看類(lèi)星體，與從垂直方向看到的不同——大量經(jīng)常扶助我們識(shí)別類(lèi)星體的重要特征，譬如較寬的放射線(xiàn)，在垂直方向上都是看不到的。塵埃層可以扶助解釋類(lèi)星體的種類(lèi)變化。

當(dāng)前的模型將類(lèi)星體的多數(shù)類(lèi)型