這類研究的問題是,一顆像類星體的明亮天體在照相底片上曝光的麵積要比該天體的實像大,一個亮光點顯現為一個小點。一顆類星體圖像的大小隻取決於它的亮度,因為它是一個點光源,然而一個星係的圖像既取決於星係的亮度,還取決於星係的體積除以它的距離,因此在選定什麼樣的類星體來考察其周圍的星係的痕跡,需要某種技巧。
大多數對類星體的認證是采用天文學家的標準天圖——帕洛瑪巡天星圖來進行的,這是一套用48英寸(1英寸=254厘米)施密特望遠鏡拍攝的照片。但克裏斯琴采用了用加英寸巨型望遠鏡拍攝的照片,這台望遠鏡可揭示較暗淡的天體。隻有在已指明哪些是重要光源之後才能這樣做,因為刪英寸的望遠鏡用來進行普通的巡天觀測是過於貴重的一種研究工具,因此克裏斯琴的方法在很大程度上依靠施密特望遠鏡拍攝的原始照片而決不能夠取代它。
結果證明,當用十分大的望遠鏡觀察類星體時,它們看上去確實是與一隱晦的星係聯係在一起,克裏斯琴進行研究的時候,用加英寸的望遠鏡隻拍攝了26顆類星體,但所有那些應當顯示出一個隱晦的星係跡象的類星體都顯現出星係跡象了。同樣重要的是,根據哈勃紅移定律,所研究的26顆類星體中有14顆由於距離太遠,應當看不見任何星係,即便是星係存在,而克裏斯琴沒有發現同這14顆類星體聯係在一起的任何一個星係的跡象,這樣一種反證對於證實這理論極為重要。克裏斯琴的結論是:他取得的觀測結果同所有類星體都發生在巨大星係核心內的理論是一致的。
1974年,才發表的某些新證據給克裏斯琴的結論增添了很大份量。經過幾年的集中研究後,天文學家用200英寸的望遠鏡發現了一顆特殊天體——蠍虎座BL,它似乎是嵌置在一們艮普通的巨大星係的中心。自從60年代中期發現以來,它一直使天文學家作難。雖然從照相底片上看,它恰如一顆類星體,但它的光譜是無特色的,既無亮線又無暗線,因此測不出它的紅移,任何人都隻能指出它或許是一顆正以極高的速度向我們飛來的紅移類星體。這樣就真正打亂宇宙學者的設想,用現時的見解來解釋類星體在膨脹宇宙中的紅移似乎不是非常貼切的。但現在秘密已經揭穿,加利福尼亞的研究小組通過遮住明亮中心天體蠍座BL本身的圖像,拍成了包圍它的較暗的星係的照片。這些,照片顯示出一個小的紅移,可以根據它算出至該星係和蠍虎座趾的距離。
根據蠍虎座BL的亮度和這一紅移測量數業已證明,蠍虎座BL天體正在發射同遙遠的類星體一樣多的能量,如果這些類星體所處的距離的確是它們的紅移所反映出來的距離,則說明這是一種非常大的能量,目前還不確切知道這種能量是從哪些裏來的,然而假如附近的蠍虎座BL能量如此,那麼就沒有任何理由說明別的類星體不可能如此。同樣,假如蠍虎座BL是處於星係的中心,那麼也就毫無理由懷疑克裏斯琴關於所有類星體都處於巨大星係的核心的斷言。
這似乎就是目前最好的學說。當然,在宣稱對類星體已經了解以前,還有大量研究工作要作。是什麼引起這些星係爆發?向它們提供動力的能量又是從什麼地方來的?還有一些爭議,認為某些甚至全部紅移或許不服從哈勃定律,這些爭議目前還不能完全排除,而且有可能提出某種迄今還不曾設想的學說對這些天體作出比以往任何一種假說更好的解釋,然而按照目前(即3C273發現之後的第二個10年開始時)的情況來看,類星體似乎是產生於宇宙的冷卻。但類星體畢竟不是供我們無法去認識宇審的自行其是的天體,倒反而是星係活動性和可變性的另一個表現形式。的確50年代以來所發現的射電星係很可能是類星體活動性的遺跡。最亮的和最遙遠的類星體提供給宇宙學家一個探測可觀察到的宇宙邊緣的工具,不斷改進類星體觀測以及明顯相關聯的活動星係表明了宇宙變化性與活動性究竟有多大。到60年代中期,天文學家對於有關我們的宇宙的概念可能需要根據新天文學作重大修正的這個問題,也許比過去任何時候有思想準備。但即使如此,卻沒有一個人能為隨之而來的一個使人震驚的發現有思想準備,這個發現不是宇宙邊緣某種莫名其妙天體,而是我們自己的天文後院,即我們自己的銀河係內一個前所未見的現象!
關於恒星晚期演化的預言
40年代和50年代,恒星能量生成的理論取得了巨大的成功,同時也成了研究恒星演化的理論基礎,不過在那個時候,恒星的演化即使在天文學家的心目中,也隻是指主星序階段的演化。這個時期的恒星,能量的“收支”基本上是處於平衡的,至於核燃料消耗完以後的恒星晚期將如何演化,這個問題的重要性是很少有人認識到的。
當時關於恒星演化到晚期以後的情況,人們所知道的主要是關於白矮星的知識。在赫羅圖上,白矮星位於主星序的左下方,它們的主要代表,也是最初確定的一顆是天狼星的伴星,早在100年前就發現了。根據它同天狼星相互繞轉的軌道運動的分析,知道這顆星質量同太陽差不多,但光度卻隻有太陽的2%,說明它的體積隻有地球那麼大,因此它的密度達每立方厘米100千克以上。
這麼高的密度在地球上是難以想象的,一時成了人們經常談論的奇聞。到了20年代,提出量子力學,人們才認識到這種高密度物質狀態的本質。原來,在恒星穩定地燃燒核燃料時,是靠著核反應產生的輻射和熱壓力同它自身的引力相抗衡來維持平衡的。核燃料燒完之後,恒星是不是會在自引力作用下無限製地收縮下去呢?不會的,當星體收縮到一定程度,在那樣的高密度下,會出現一種叫做電子簡並壓的壓力,隻要恒星的質量在大約13倍太陽質量以下,這種壓力就能成功地抵抗住恒星的自引力。為了說明這種壓強的來源,我們還得首先介紹兩條量子力學原理。一條是泡利不相容原理,即在一個係統中不可能有兩個電子處於完全相同的狀態。這個原理是用原子結構說明元素周期表的性質時,總是把電子從內到外填充到一層層軌道上去,不允許在同一狀態上填兩個電子;另一條原理是測不準原理,即當電子處於某個狀態時,它的位置確定得越準確,則其動量值變化的範圍就越大。在恒星晚期的高密度下,按泡利不相容原理,電子不可能被壓擠在相同的狀態中,但由於體積很小,因而每個電子分配到的空間就很小,也就是位置定得較準確,於是根據測不準原理,它們的平均動量值就變得很大,因而動能也就很大。正如氣體中分子動能越大,則壓力越高一樣,這種狀態下電子“氣”的壓強也很大,這就是電子簡並壓的來曆。電子簡並壓與恒星的自引力相抗衡,使星體處於一種新的平衡狀態,如此形成的天體就是白矮星。
但是有少數物理學家卻不是這樣想。1932年發現中子以後不久,前蘇聯物理學家朗道就猜測,既然中子和電子一樣月樅泡利不相容原理,那麼由中子的簡並壓同引力相平衡也將形成一種穩定的狀態,這是關於中子星的最初預言。1934年,美國的巴德和茨維基根據天文觀測指出,宇宙中有時會發生一種“超新星”的現象。他們在一篇簡短的文章中指出,“超新星代表了普通恒星向中子星的過渡階段,中子星在其最後階段是由緊擠在一起的中子組成的。”這樣,他們把中子星同超新星相聯係起來,正式提出中子星的假設。1939年,奧本海默等人對中子星的結構作了詳細的計算。根據這些預言,中子星的直徑隻有幾十千米,質量卻比太陽還要大一些。這樣的天體密度比白矮星又高一億倍以上。對於許多人來說,白矮星的密度已經使他們驚歎不已了,中子星這樣高密度的天體更加是想都不敢想的了,所以在那些預言發表以後的幾十年間,很少有人認真對待它們。它們被當作異想天開的物理遊戲而受到人們譏諷,漸漸地被科學界所遺忘了。
但是事隔30年之後,原來受到譏諷的預言卻得到了證實。中子星真的被找到了!在這天文學史上是值得大書特書的一件事情。
“小綠人”的故事
1967年,英國劍橋大學天文學家建造了一架射電望遠鏡。這架新望遠鏡是為了利用行星際閃爍現象來研究射電源而設計製造的。行星際閃爍同我們常說的星星“砭眼”現象有點類似。當星光通過地球的大氣時,由於大氣中的不均勻起伏現象,使我們看起來星星發出的光一閃一閃的,似乎在眨眼睛。這種閃爍現象同發光體相對於我們的角尺寸(我們觀察發光體時視線所張開的角度)有關。恒星離我們很遠,基本上是一個點,因而易發生閃爍;而行星較近,望遠鏡中看起來是一個圓麵,因而不易看到閃爍。在射電波段也有類似的現象,不過這種閃爍不是大氣造成的,而是由充滿行星際空間的太陽風引起的。行星際閃爍也同射電源的角尺寸有關,甚至可以提供計算射電源角直徑的方法。劍橋大學新建的望遠鏡就是為此目的而建造的。因為行星際閃爍在低頻段較顯著,所以望遠鏡的工作波段為815兆赫,又因為閃爍是很快的,所以望遠鏡應有很高的時間分辨率:但這樣一來,信號與噪聲比就較小了,於是隻能增大望遠鏡的接收麵積。落成後的望遠鏡占地將近2萬平方米,是一個16×128個偶極天線組成的天線陣。
望遠鏡從1967年7月開始觀測,每天給出七八米長的記錄紙。記錄紙本來可交計算機分析,但因為儀器剛投入運轉,為了檢查它們是否正常,所以決定由一位叫做喬斯琳·貝爾的研究生進行人工分析。幾星期之後,她從記錄上看出有一段不易辨認的記錄,不像是閃爍,也不是其他幹擾,而它出現的赤緯都是+23°,赤經也大致相同,約為19時20分。這段記錄雖然隻在100多米的記錄紙上占一二厘米,卻引起了貝爾的注意。她把這件事告訴了指導老師休伊什,他們便決定對這一現象作快速記錄。經過一番周折,終於在11月末獲得了第一個快速記錄。記錄筆描下了一連串脈衝,每兩個脈衝的間隔都等於11/3秒。通過進一步分析,又發現它同其他射電源以同樣的速度和方向通過天線束,它是按恒星時運動的——每天提前4分鍾出現。
這真是叫人左右為難的事!既然它是跟恒星一起升落的,那大概是來自恒星的電波吧。但是恒星不可能在以秒計的時間尺度上產生變化。說它是人為的幹擾的吧,又是誰按23小時56分的周期有規律地發出這種信號呢?問遍了全英國的天文學研究組,都得到了否定的回答,進一步的記錄證明信號的脈衝周期保持得非常準確穩定,同時發現在其他頻率處也有類似的脈衝。低頻處的信號比高頻處的要晚到一些時間,這是天文學家熟知的星際介質的彌散作用所造成的。從彌散的量,他們算出了脈衝信號源離地球的距離是212光年,遠在太陽係之外,但在銀河係之內,看來這像天外的“人”發來的信號。
地球外的有理智的“人”早就是幻想小說的常用主題。有的科學家設想,由於其他行星上的引力也許很大,或者因為文明的高度發展而使體格退化,這種別的世界裏的高等動物也許體形很小,而且他們也許能不通過植物而直接利用恒星的光能,因而他們的膚色是綠的……於是,“綠人”成了人們常談論的對象,可是很少有人當真對待這種幻想,然而劍橋大學的望遠鏡卻收到了這種難以解釋的信號。也許,“小綠人”正在敲我們的門啦!這是多麼令人興奮的發現呀!