第十四章
類星體
關於類星體，還得從1960年說起。在1960年以前，射電天文學家已經記錄了天空中幾百個發射無線電波的天體，也叫射電源。光學天文學家現在已經成功地識別出這些天體中有一些是銀河係內的氣體雲，另一些是銀河係以外的射電星係，但是還有一些射電源卻沒有找到相對應的光學天體。人們猜想，它們大概也是射電星係，隻不過是離我們太遙遠了，不容易看見罷了，它們本身並沒有什麼奇特。但是，就在1960年，美國的天文學家利用當時世界上最大的眯口徑的望遠鏡觀測了一個名叫3C48的射電源，發現它並不是一個射電星係，而是一顆很暗的顏色發藍的星。不久，又有人發現另一個射電源3C273也對應著一顆暗星。我們知道，一般恒星和射電發射是非常微弱的，而這種“星”卻能發射那樣強的無線電波，這就很值得認真研究了，用什麼手段來觀測和研究它呢?天體物理學家們動用了自己手中的強有力的武器，這就是光譜分析。原來每一種原子、分子或者離子，都隻能發射或者吸收特定波長的光線，把某一個天體發來的光分解成一條條的光譜線，就得到了這個天體按波長排列的光譜，我們根據光譜中各種譜線的波長就能夠判斷出這個天體中到底包含了哪些元素。科學家們對前麵說的那些射電“星”的光譜是一種前所未見的奇異譜線，和過去他們觀察過的幾十萬顆恒星的光譜都不一樣。奇怪!難道是組成這些天體的元素跟組成我們地球和一般恒星的元素不一樣嗎?要是不一樣，又該是什麼樣的新元素呢?這些尚未解開的謎，向當代天文學和物理學的許多基本理論提出了尖銳的挑戰。
為了解開這個譜線之謎，1963年，一位名叫施米特的科學家，仔細研究了上麵說到的射電源3C273的光譜。他發現其中有4條譜線相互之間的間隔很像氫元素光譜中的4條譜線，隻是3C273譜線的波長比正常氫元素譜線的波長要長得多。施米特大膽地設想，讓正常氫元素那4條譜線向長波方向移動一段距離，那麼，不就正好成了3C273的那4條譜線了嗎，而且采用這種辦法，其他射電“星”過去根本無法辨認的譜線現在也可以識別出來了，因此他得出這樣的認識：這些天體上並沒有什麼未知的新元素，它們的光譜也就是地球上常見的一些元素的光譜，隻不過是這些元素的譜線都向長波方向移動了一段距離而已。我們知道，人的眼睛可以看見的光分成赤、橙、黃、綠、青、藍、紫7種顏色，其中紅光的波長最長，紫光的波長最短，光譜線向長波方向移動，就叫做紅移。紅移對天文學家來說，並不是什麼陌生的東西。一般恒星的光譜線也有紅移現象，但是移動的數量很小，而奇怪的是這類射電“星”的譜線的紅移量非常大，比一般恒星的紅移要大上百倍甚至上千倍，比如：一條波長比紫光還要短的紫外波段譜線，經過這麼大的紅移以後，波長就變得接近紅光了，後來人們又發現了一種雖然並不發射無線電波，但也同樣有很大紅移現象的天體。這種天體在光學望遠鏡中看來也像是恒星那樣的一個小點，於是天文學家就給上述兩種類似於恒星而又畢竟不是恒星的天體起了個總的名稱，叫做類星體。到目前為止，測定了紅移的數量大小不等的類星體已經有900多個。
類星體的譜線之謎到此看來似乎是被解決了，但是事實並非如此，緊接著又出現了另一個更令人困惑不解的紅移之謎。這就是類星體那麼大的紅移現象是怎麼產生的?物理學中最常見的一種產生紅移現象的效應是多普勒效應。什麼是多普勒效應呢?打個比方，當我們坐在快速前進的火車上，如果前方也有一列鳴著汽笛迎麵開來的火車，我們會感到對麵那列火車的汽笛聲比平時聽到的尖銳刺耳得多，而當這列火車開過我們身旁以後，汽笛聲就一下子低沉下來，這是因為朝著我們運動的聲源發出的聲波頻率會變高，而背離我們而去的聲源發出的聲波頻率會變低，這就叫多普勒效應。光波和聲波一樣，也有多普勒效應。當一個天體朝著我們運動的時候，它發的光的頻率在我們看來就會變高，光的波長會變短，這就是紫移；相反當天體離開我們而去的時候，它發的光的頻率變低，波長變長，這就是紅移。20世紀以來的天文觀測發現，數以億計的河外星係的譜線都表現出紅移，用多普勒效應來解釋，表明這些星係都在離開我們而去。按照美國天文學家哈勃在1929年總結出來的規律，紅移越大，星係與我們距離越遠，同時星係的運行速度也越高。如果類星體的巨大紅移也和河外星係一樣遵循哈勃定律的話，那就表明它們都要到極其遙遠的地方。根據哈勃定律，可以估計出它們都遠在幾十億光年甚至上百億光年之外，也就是說，我們今天接收到的類星體的光是它們在幾十億年甚至上百億年前發出的。要知道太陽係的年齡隻不過50億年左右，人類的曆史隻有二三百萬年，這就是說，在太陽係形成之前，這些光線就已經從類星體發出，踏上了漫長的旅程。當這些光線在茫茫宇宙中以每秒30萬千米的速度一刻不停地前進的時候，我們的太陽誕生了，我們的地球誕生了，直到這些光線已經走完了它們路程的99％以上時，地球上才開始出現最初的人類；這說明類星體離我們非常遙遠，而且還在繼續以極高的速度背離我們向更遠的遠方奔去。如果類星體真是那樣遙遠，那麼新的難題又產生了，因為它們離我們那麼遠，還能用望遠鏡看到，那它們的亮度該有多大呀!科學家們的計算已經表明，一個類星體發的光要比二個普通星係發的光還要強上百倍!更為離奇的是，類星體的直徑比普通星係小得多，隻有普通星係的上萬分之一甚至百萬分之一。
為什麼在類星體那樣小的體積內竟然能產生那麼大的能量呢?這又是一個緊接著而來的能源之謎。這是一個使天文學家和物理學家們更感興趣也更傷腦筋的難解之謎，於是產生了許多假說。有人設想它們的能量來源於超新星爆發，麗類星體內每天都有一個超新星爆發；有的人猜測它們的能量來源於正反物質的湮滅；有人假定類星體中心有一個巨大的黑洞等等。說法很多，但沒有一個令人滿意的答案。看來要想一下子解決這些疑難問題是不大可能的，這需要科學家們進行長期的辛勤的探索，現在已經找到一些看來比較有希望的途徑，比如：對在類星體這個總名稱下的大量天體，根據它們的形態結構、輻射特性等等進行分類研究。我國的天體物理工作者，正是沿著這個途徑在研究中取得了一些有價值的成果。另外。把類星體和其他一些和它相似的天體聯係起來研究，也可能是一條可取的途徑。類星體的存在反映宇宙的劇變，同樣，這個“家族”的各個成員本身也可能產生混亂的劇變。如果這隻是測量一顆類星體光譜特殊紅移的問題，那麼對宇宙學家來說，這個問題就很簡單，即使他們對解答的含義還可能會有爭執。但是事實上許多類星體光譜都顯示出幾種稍有差異的紅移，不是在發射譜線上，而是在吸收譜線上。這個差異很重要，亮的發射譜線來自熾熱的受激氣體，而暗的吸收譜線則是冷氣體處在光源和觀察者之間時發出的，因此，原則上你可以指望在類星體所發出的光中看到任何一種紅移吸收譜線，這種吸收譜線是類星體的光被處於我們同類星體之間任何距離上的冷氣體雲所吸收而產生的，但現在看來這不是合理的解釋。在類星體光譜上所看到的吸收譜線型式表明，吸收雲實際上同類星體有關聯，這——點可揭示出這些高能天體結構方麵的許多情況。
現已知道有幾十顆類星體所顯示的吸收紅移略小於它們相應的發射紅移，說明這些類星體被冷物質(冷物質可能是類星體核心處發生劇烈變化時噴出的)包圍著，甚至對少數略大於相應發射紅移的吸收紅移也能作出解釋，隻要我們設想一下由類星體的核心處噴出的氣體現在正往回落到類星體上，因而移動的速度比類星體單純的宇宙速度稍快，但對那些吸收性紅移遠小於發射性紅移的類星體又會作何解釋呢?
有些情況下，在一顆類星體的光譜中可能發現許多完全不同的吸收紅移，對這些情況最簡單的解釋是，在連續的劇烈輻射爆發中從類星體核心向外噴出了幾個氣體殼。在有些情況下，這種氣體殼必須以光速的一半或大於一半的速度向外移動才能解釋在一個天體內吸收紅移與發射紅移間的巨大差異，這就要求有很大的能量，即使是殼內的氣體僅占整個類星體質量很小的一部分。這一點同觀測其他天體內劇烈高能輻射爆發的結果很符合，有助於天文學家搞清楚類星體與宇宙中其他天體間的關係。
作為一種探測宇宙的手段，類星體所提供的範圍的概念可以通過將紅移轉換成速度來表示(下文中凡“紅移”一詞未附說明者均指發射譜線紅移)。紅移為2相當於光速一半的速度，觀測天文學家正在加緊證認第一顆紅移為4的類星體。
在報道證認了3C273後剛好10年，《自然》雜誌上另一篇報告宣布類星體0H471的發射紅移為34。現在還知道有其他一對類星體具有這樣大的紅移，對這些紅移的多普勒解釋就是：這些類星體目前正在以大於90％的光速從我們這裏退行。換言之，目前我們所看見的來自這些類星體的光是很久以前離開它們的，因而目前我們所看到的類星體實際上是宇宙很古老年代裏的類星體。下麵我們將會看到，這一點對於宇宙學來說是很激動人心的事。但從新天文學在首次發現射電星係以後的發展這個角度來看，其直接重要性卻在於能找到這些天體及其重複的高能輻射爆發跡像同其他天文現象之間的聯係。
整個60年代裏，天文學家發現了大量奇異的天體：像天鵝座A一類的射電星係，在這個星係裏巨大的爆發似乎曾噴出高能粒子，其他星係似乎也經曆過巨大的中心爆發，留下了從它們的中心向外傾注的可見物質流，最近有證據表明甚至我們自己的銀河係在遙遠的過去也曾經曆過某種類似的災變性事件。從我們銀河係這樣的表麵看來，普通的星係到混亂的塞佛特星係以及N型活動星係，這些活動星係的多樣化向許多天文學家表明，星係的種類沒有明顯的分界線。他們不說有許多種類的星係，每一種都發生各種特殊的變化，而寧願選取以下兩種理論之一：或者說在某些星係中所觀測到的活動性是星係演化發展的一部分，活動星係在某種意義上說是處於像我們自己的銀河係那樣的星係的早期階段，或者說任何星係在它生命期中的任何時候都可能陷入這樣一個輻射爆發中，甚至是陷入一連串這樣的輻射爆發中。
這些理論立即為類星體提供了一種解釋：這些類星體或者處於星係演化的最早階段，或者我們所看到的類星體隻不過是整個星係中正在爆發的明亮中心區。這樣一種爆發是如此明亮，很可能使周圍星係在對比之下看不見。這種見解看來是目前最好的一種見解。
在有關宇宙學和星係構造的方麵，有時候有這樣的談法：有多少理論家，就有多少種理論，至少關於細節部分的理論大概如此，因此我將選用1973年海爾天文台傑羅姆克裏斯琴所發表的一篇著作，作為我們當前對類星體的了解程度的一個例子。許多天文學家對這篇論述的一些細節可能會有異議，但大體來說對類星體作了似乎合理的描述。
克裏斯琴從塞佛特活動星係、N星係和類星體之間的類似性著手探討。這些天體具有類似的光譜，它們全部屬於同一種顏色；它們的變化方式大同小異，並且全部顯現出大範圍的活動性——沒有任何“典型的”塞佛特星係、N星係或類星體。克裏斯琴提出：類星體是“蛋”，由這隻“蛋”生出塞佛特星係這隻“小雞”，再發育成N星係這隻“母雞”，這種提法似乎不完全令人滿意，沒有證據證明類星體本身正在從一種“類星體似”的狀態演化成一種更“塞佛特星係”似的狀態。這當然是人們可能爭議的一點，但看來以遵循克裏斯琴的下列看法更為合理，即類星體實際上是在星係中心發生的劇烈事件，塞佛特星係與N星係已是這種活動性的明顯例子，所需要的隻是類星體事件須亮到足以遮蔽周圍星係的光，並在照相底片上產生類星體的圖像，這就是克裏斯琴提出的理論，他用類星體照片來驗證，希望它們能顯現類星體周圍的星係的跡象。