類星體與黑洞誰威力大

本文格式為Word版，下載可任意編輯——類星體與黑洞誰威力大經常有這樣的情形，一個新的察覺可以變更我們對整個宇宙的熟悉。1610年，伽利略用一臺折射望遠鏡察覺了木星的衛(wèi)星，這扶助人們變更了地球是太陽系中心的觀點。另一次是20世紀20年頭，當埃德溫·哈勃觀測M31以及其它“旋渦星云”中的變星時，表明了這些模糊的天體其實是銀河系以外的獨立星系，這一察覺使人類熟悉的宇宙遠遠擴大到銀河系之外。

50年前，天文學再次迎來了一次里程碑式的進展。33歲的加州理工學院教授施密特（MaartenSchmidt）使用當時世界上最大的望遠鏡——帕洛瑪天文臺的出名的200英寸（約合5米）海爾望遠鏡，測量了一個類似恒星的奇異天體的光譜，結果察覺這顆“恒星”并非看起來那樣簡樸。三年后，施密特的察覺使他登上了出名的《時代周刊》的封面，盡管當時學術界對他和其他人的有關觀測結果照舊百思不得其解。在那時，雖然人們尚未完全采納施密特的這一察覺，但它將會為探索宇宙最遙遠的地帶開啟一扇大門。

探索光學對應體

射電天文學的展現為類星體的察覺鋪平了道路。其次次世界大戰(zhàn)中雷達的迅猛進展，導致星空中的自然射電源被偶然察覺。在接下來的數十年間，射電天文望遠鏡觀測了很大一片面天空。但是要深入了解一個單顆射電源，通常首先需要找到其光學對應體，這是一項似易實難的任務。

直到上世紀70年頭末，射電望遠鏡的觀測結果還相對地對比粗糙。在高精度相干觀測法展現以前，射電天文學家們只能粗略地測出一個射電源的位置。要想在一片看似普遍的恒星和星系中識別出射電源的光學對應體是極為困難的，除非有一個明顯的奇怪光源正好和射電源的模糊位置相對應。

天文學家CyrilHazard研發(fā)了一種高明的射電源定位方法——月掩星法。當月面從一個射電源前方經過時，它的信號就會被立刻遮掩，這時其位置就在月面邊緣所處的一段弧線上。當該射電源在月面另一側重新展現，或者月面以稍有不同的路徑再次將其遮掩時，就能確定其次段弧線。這兩段弧線交點就是該射電源的切實位置。

Hazard及其同事使用位于澳大利亞的出名的帕克斯射電望遠鏡，觀測了射電源3C273的的三次月掩星，3C273代表《劍橋第三射電源表》上的第273個源，編號是以天體位置的赤經排序的。他們對這個射電源的定位精度達成了亞角秒量級（如需了解更多關于Hazard工作的信息，可登錄/3c273）。后來的觀測顯示，它與兩個可見光源對應：3C273A看起來像是出自3C273B的一道纖細噴流，而后者那么是一個相當亮堂的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狀外觀，看起來貌似被包裹在一團暗淡的模糊光斑中。

在帕洛瑪天文臺，施密特開頭著手研究這些光學對應體的性質。獲取了射電源的切實位置后，他應用了天文學中最強大的分析工具——光譜。不過他拍攝的可見光光譜反而讓問題更繁雜了。3C273B的光譜特征是完全目生的，在人們預想的譜線位置上，儼然是空白一片，什么也沒有。

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

一個學生最近提出一個問題，為什么3C273的紅移沒有被立刻察覺？終究，這種形式的放射譜線與恒星形成區(qū)和行星狀星云的譜線好像。類似的譜線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，后來證明這種星系是類星體的“失敗”近親，在確定意義上說就是較暗弱的類星體。

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

遙遠而亮堂的天體

為什么這16%的紅移令人驚詫？

天文學家早已知道宇宙膨脹可以導致遙遠天體的光譜線發(fā)生紅移，結果就是越遙遠的天體看起來其退行速度就越快。甚至在上世紀60年頭初期，天文學家們就已經察覺了紅移高達20%的遙遠星系團，它們的紅移比3C273更大。

不過這些星系團并沒有3C373的超高亮度。越遙遠的天體看起來越暗弱，所以假設3C373真的距離地球20億光年，那么它的亮度將至少是當時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為，假設該類星體的噴流（3C273A）源于3C273B，那么它務必至少延遲16萬光年。即使它以光速運動，這一噴流要想達成當前的長度也至少要16萬年的時間；由于它的速度確定遠不及光速，因而所需時間甚至斷定更長。假設3C273B總是保持同一亮度，那么在這段時間內，它輻射出的總能量將會比1億顆超新星的能量更大。盡管如此，施密特照舊堅持“最直接而至少可采納”的解釋，是3C273的紅移是宇宙膨脹造成的。

但是，好多天文學家照舊對它能夠在這樣長的時間內產生如此巨大的能量感到質疑。尤其當查看到個別類星體在數天內，而不是在數月或數年內就發(fā)生了亮度變化時，問題就變得更加繁雜了。觀測結果顯示，某些天體儼然在幾光天的空間范圍（差不多等于太陽系的大小）內，產生了和一個星系相當的光度。是什么在如此小的空間內制造了如此大的能量？

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

當時有三種可選擇的理論允許假定類星體位于鄰近宇宙之中：

一、類星體可能是以接近光速運動的鄰近天體。

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

三、類星體的紅移現象可能是由于某種未知的“新物理學”造成的。

不過這三種可能答案都存在疑點。假設類星體以接近光速運動，那么按照相對論，藍移的類星體將比紅移的類星體更輕易被探測到，不過至今沒有察覺這種處境。這大大降低了類星體是鄰近天體的可能性。同時類星體的光被引力紅移的觀點會導致各種沖突：發(fā)出這種放射線所需的大量低密度氣體務必存在于一個強引力場中，而這么強的引力場會將物質壓縮至無法形成放射線的極高密度。第三種解釋那么純粹是一種揣摩，沒有任何證據支持。

在施密特的察覺以后，關于類星體紅移的論戰(zhàn)持續(xù)了15年，直到抉擇性證據展現，表明了類星體確實是分外遙遠的天體。1978年，AlanStockton（夏威夷大學）表明，類星體處在具有一致紅移的普遍星系之中，有時候其紅移量甚至比預期的更大。

更多的證據進一步表明了類星體的極遠距離：DennisWalsh（焦德雷班克天文臺）領導的團隊證認出了第一個因前景星系而發(fā)生引力透鏡作用的類星體，這種現象只能在宇宙學距離的前提下才能解釋。而在1982年，ToddBoroson和JohnBeverlyOke（帕洛瑪天文臺）研究了另一個出名類星體3C48周邊的模糊光斑，表明那是來自其宿主星系的星光。

類星體的能源

假設說類星體紅移是宇宙學性質的，那么就存在一個能量來源的問題。無論其能源是什么，它都務必能夠在一個太陽系大小的很小體積內釋放出巨大的能量。

幾位天體物理學家——蘇聯(lián)的YakovZel’dovich和IgorNovikov，康奈爾大學的EdwinSalpeter在1964年，英國劍橋大學的DonaldLynden-Bell在1968年，分別獨立提出，唯一可行的解釋是氣體被吸積到數百萬倍太陽質量的巨大黑洞之中。盡管根據定義黑洞不能發(fā)光，不過當它吞食氣體時卻會變成強大的光源。當氣體旋轉落入巨大黑洞中時，會釋放出重力勢能，形成籠罩整個電磁波譜的輻射。

到了1984年，劍橋大學的出名天文學家馬丁·里斯令人信服地指出，星系核的任何活動都不成制止地導致形成一個特大質量黑洞。盡管直接的觀測證據照舊并不充分，但天文學家們開頭傾向于采納特大質量黑洞的吸積活動是類星體能源的觀點，由于這種解釋是當時僅剩的結果一種可能。

有意思的是，表明特大質量黑洞存在的第一個有力證據并非來自類星體，而是它們看上去并不活躍的“同胞”。圍繞星系中心運轉的氣體和恒星證明，幾乎全體大型星系的中央都寄宿著特大質量黑洞。類星體與普遍星系的唯一識別在于，它們的中心黑洞吞食物質的多少。

類星體的布局

多年來，天文學家逐步梳理出了類星體的完整故事：這些奇異的天體如何演化，以及它們的真實面貌到底如何。不過在回復這些問題之前，首先要找到更多的類星體。

最初，天文學家們用射電波區(qū)分類星體與普遍恒星。類星體的射電波來自其亮堂的噴流，這種噴流是從星系中心爆射而出，進入星系際空間中的。不過天文學家很快意識到，類星體的其它性質，例如其特殊的光譜、多變性以及X射線放射等，都可以將它們從鄰近的恒星中識別出來。在這個過程中，他們察覺，相對輕易被找到的“射電強”（現在活動星系核被分為“射電強”與“射電弱”兩類——編者注）的類星體其實只占全部數量的5%到10%。

到上世紀80年頭初，各種觀測工程已經察覺了數十萬個類星體，目標的距離也越來越遠。斯隆數字化巡天是一個籠罩全天四分之一的自動觀測工程，它在過去8年間察覺了超過12萬顆類星體。隨著類星體的統(tǒng)計數據越來越完備，完整的演化過程也最終被勾畫了出來。

目前的理論認為，在星系的形成時期，類星體就在星系核中開頭成長，那時候宇宙的年齡只有數億年。30億年后，類星體的數量達成峰值。不過之后的數十億年里，由于特大質量黑洞逐步耗盡了氣體供應，導致其晚年變得越來越寧靜。

事實上，類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。結果就是黑洞的物質供應缺乏，而在黑洞年輕時，卻由于這些燃料而有極高的亮度。曾在100億年前統(tǒng)治宇宙的類星體的全部遺骸，就是目前寧靜地蟄伏于鄰近的大型星系中心的特大黑洞。

盡管目前沒有望遠鏡可以在如此遠的距離上直接拍攝到類星體的精細布局，不過50年來的研究已經找到了大量探索其真實面貌的間接方法。全體理論的根基都一樣：那里有一個氣體吸積盤向特大質量黑洞供給物質。但是概括細節(jié)照舊很難探究。

觀測顯示，一些類星體被一圈塵埃所包圍，更加是那些光度較低的類星體。塵埃環(huán)可能是吸積盤本身的延遲，也可能與吸積盤吹出的風有關。無論哪種處境，這些塵埃若要存在，就務必遠離吸積盤內部的強光和高熱。從赤道方向透過這層阻礙查看類星體，與從垂直方向看到的不同——大量經常扶助我們識別類星體的重要特征，譬如較寬的放射線，在垂直方向上都是看不到的。塵埃層可以扶助解釋類星體的種類變化。

當前的模型將類星體的多數類型