陳若穎

我們在夜晚能夠看到的最亮的天體是月亮，在白天能夠看到的最亮的天體是太陽。那么，大家有沒有想過，宇宙中最亮的天體是什么呢？

神秘的光譜

20世紀(jì)是無線電的時(shí)代，這一脫離了“線控”的新興科技在發(fā)明伊始就被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。之前一直局限在可見光波段探測宇宙的天文學(xué)家們也開始意識到，原來人類可以換一種方式“聆聽”宇宙。之后，天文學(xué)家們便紛紛沉迷于射電天文觀測，射電天文學(xué)也在這一階段蓬勃發(fā)展。

以無線電接收技術(shù)為依托的觀測方式

在20世紀(jì)中葉，英國劍橋大學(xué)的馬丁·賴爾和安東尼·休伊什為了更好地觀測天空中的射電源，在校內(nèi)建造了一架名為“劍橋干涉儀”的射電干涉儀望遠(yuǎn)鏡，并利用它在射電波段開展巡天觀測項(xiàng)目。經(jīng)過數(shù)年的仔細(xì)觀測與統(tǒng)計(jì)，他們先后發(fā)表了名為1C、2C、3C的三份宇宙射電源表，將一些著名或有趣的射電源坐標(biāo)記錄在了表內(nèi)。后來，兩人也因?yàn)樵谏潆娞煳膶W(xué)方面的突出貢獻(xiàn)，共同獲得了1974年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

C是Cambridge的縮寫，表示劍橋大學(xué)

馬丁·賴爾

安東尼·休伊什

在馬丁和安東尼的這三份射電源表問世后，天文學(xué)家們又紛紛嘗試從光學(xué)波段尋找表中這些射電源的光學(xué)對應(yīng)天體，研究不同天體在射電波段和光學(xué)波段的異同。1960年，美國天文學(xué)家艾倫·桑德奇就在光學(xué)波段中尋找到了3C星表中一個(gè)名為3C 48的射電源的對應(yīng)天體。這個(gè)天體擁有極強(qiáng)的射電輻射，但在可見光波段下乍一看卻只是個(gè)小亮斑，視星等僅有16等。最初，大家都以為它只是顆擁有強(qiáng)射電輻射的恒星，但在深入研究3C 48的光譜后，桑德奇卻發(fā)現(xiàn)了這個(gè)天體的特殊之處。

我們知道，原子內(nèi)部有不同能量的電子在不同的軌道上旋轉(zhuǎn)，當(dāng)在固定軌道旋轉(zhuǎn)的電子受到刺激躍遷到其他軌道上時(shí)，就會發(fā)射或吸收一些特定波長的光線。

電子躍遷示意圖

在光譜中，吸收線顯示為黑色線條，發(fā)射線顯示為彩色線條

由于恒星的熱核反應(yīng)都發(fā)生在恒星內(nèi)部，所以由恒星核心區(qū)核聚變反應(yīng)發(fā)出的光線必須經(jīng)過恒星外層，被恒星外層中的物質(zhì)吸收掉一些特定波長的光后，才能到達(dá)地球。所以，恒星光譜一般都有明顯且較窄的吸收線，我們同樣也可以通過分析這些吸收線的波長，反向推測出恒星的物質(zhì)組成。

然而，深入研究3C 48的光譜后，桑德奇卻發(fā)現(xiàn)它的光譜不像一般恒星那樣有明顯的吸收線，反而擁有一些又亮又寬的發(fā)射線，而這樣的發(fā)射線通常存在于星云或星系的光譜中。此外，這些發(fā)射線還無法和任何一種已知元素的光譜對應(yīng)上。后來，澳大利亞天文學(xué)家西里爾·哈澤德在1963年也找到了表中名為3C 273號射電源的對應(yīng)天體，這個(gè)同樣看起來像一顆恒星的天體的光譜也有著未知的強(qiáng)發(fā)射線。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們以為這些發(fā)射線是由某種未知元素發(fā)出的，他們甚至想要利用這兩個(gè)光譜來尋找新的元素。因?yàn)闀簳r(shí)無法確定這些天體究竟是什么，科學(xué)家們就把這種看起來像一顆恒星卻又不是恒星、光譜看起來像是星云卻又不是星云、射電輻射像星系卻又不是星系的天體命名為“類星體”。

巨大的紅移

幸運(yùn)的是，“類星體光譜中的新元素究竟是什么”這個(gè)問題并沒有困擾天文學(xué)家們很久。1963年，美國天文學(xué)家馬丁·施密特也在對3C 273進(jìn)行研究。他用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡去測量這個(gè)天體的光譜，并對著光譜思考了一個(gè)多月后，突然頓悟——這根本不是什么新元素的發(fā)射線，而是已知元素的發(fā)射線整體發(fā)生了位移！施密特探測到了3C 273光譜中氫元素標(biāo)志性的三條譜線，只不過它們不在原本靜止時(shí)所處的波長處，而是整體往可見光波段波長最長的紅光一端移動了很長的距離。

3C 273光譜與比較譜的對比圖

超級鏈接

紅移

當(dāng)一輛救護(hù)車駛向我們的時(shí)候，我們聽到的鳴笛聲會越來越短促，而當(dāng)它駛離我們時(shí)，我們也能感覺到鳴笛聲的頻率逐漸降低，這是多普勒效應(yīng)的一種表現(xiàn)。同理，當(dāng)物體正在遠(yuǎn)離我們的時(shí)候，它所發(fā)出的電磁波的波長也會變長，頻率也會降低。因?yàn)檫@種現(xiàn)象最先在可見光波段被發(fā)現(xiàn)，并且在可見光波段中，這種現(xiàn)象表現(xiàn)為特定波長的光整體往波長最長的紅光一端移動，所以這個(gè)現(xiàn)象被命名為“紅移”。物體遠(yuǎn)離我們的速度越快，發(fā)出的電磁波的波長變化就越明顯，紅移量也就越大。20世紀(jì)初，愛德溫·哈勃通過觀測發(fā)現(xiàn)宇宙中幾乎所有的天體都會發(fā)生紅移現(xiàn)象，并且距離我們越遠(yuǎn)的天體紅移量越大。這一發(fā)現(xiàn)也成為宇宙正在膨脹的證據(jù)之一。

紅移波長變化示意圖

看到這里你可能要問了：明明在數(shù)十年前，哈勃就已經(jīng)通過對遙遠(yuǎn)星系的觀測，發(fā)現(xiàn)了紅移這個(gè)現(xiàn)象，并且得出“距離我們越遠(yuǎn)的天體正在以越快的速度遠(yuǎn)離我們”的結(jié)論，那為什么科學(xué)家們辨認(rèn)不出3C 48和3C 273光譜中的譜線紅移呢？這是因?yàn)樵谶@兩個(gè)天體的光譜中，譜線的紅移量實(shí)在太大了。

在20世紀(jì)上半葉，由于技術(shù)的不成熟限制了望遠(yuǎn)鏡觀測的極限星等，而遙遠(yuǎn)天體因?yàn)榱炼入S著距離衰減，被觀測到時(shí)一般都較為暗淡，所以人類暫時(shí)還只能觀測距離我們較近的天體。并且依據(jù)哈勃定律我們可以知道，這些天體遠(yuǎn)離我們的速度不會很快，因此它們的紅移量都不會太大，光譜中譜線的位移也就相對容易辨認(rèn)。但3C 273中的三條特征譜線紅移量達(dá)到了15.8%，3C 48中的氫和鎂特征譜線紅移量甚至達(dá)到了37%！正是這從未見過的巨大的紅移，導(dǎo)致了最初科學(xué)家們都無法確認(rèn)這些譜線的歸屬，甚至以為這些譜線是由某些未知元素發(fā)出的。

在解決了譜線紅移的問題后，新的問題隨之而來：為什么這兩個(gè)天體能夠有那么大的紅移量？如果3C 273是一顆恒星的話，那么它距離我們大約20億光年遠(yuǎn)，并且正以每秒47 000千米的速度遠(yuǎn)離我們。要知道，太陽不過是以大約每秒240千米的速度在圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)，所以大家可以想象47 000千米/秒的速度有多快！更令人驚奇的是它的亮度。雖然在望遠(yuǎn)鏡中它看起來只是一顆平平無奇、亮度為13等的小亮點(diǎn)，但如果把它放在距離我們32.6光年的地方，我們看它就像我們在地球上看太陽一樣亮?？梢哉f，類星體就是宇宙中最明亮的一種天體。

揭開神秘面紗

在類星體被發(fā)現(xiàn)后的三十多年中，科學(xué)家們提出了多種假說來解釋這樣一種遙遠(yuǎn)且明亮的天體。其中，比較著名的有黑洞假說（這種假說認(rèn)為類星體就是一個(gè)遙遠(yuǎn)的黑洞，它因正在吞噬大量的物質(zhì)而釋放出巨大能量）、白洞假說（這種假說認(rèn)為類星體是正在不斷向外輻射物質(zhì)與能量的白洞）、超新星連環(huán)爆炸假說（這種假說認(rèn)為類星體是一個(gè)處于星系核中心的區(qū)域，該區(qū)域因?yàn)槲镔|(zhì)密度極高，不斷有超新星爆炸）等。雖然這些假說都還無法完全解釋類星體的成因，但幾乎所有假說都繞不開黑洞與星系這兩種天體。

隨著天文觀測技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)90年代，人們終于揭開了類星體的神秘面紗。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們想要研究類星體周圍的天體結(jié)構(gòu)，突發(fā)奇想地在天文望遠(yuǎn)鏡中加入了一種類似日冕儀的設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)的望遠(yuǎn)鏡能夠?qū)⑻祗w中央?yún)^(qū)域所發(fā)出的輻射遮住，僅顯示天體周圍的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。在遮住類星體明亮的光后，科學(xué)家們驚奇地發(fā)現(xiàn)，原來類星體是位于星系中央的一種天體，只不過之前因?yàn)轭愋求w太過明亮而無法觀測到它的宿主星系結(jié)構(gòu)。

左圖為哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的3C 273，右圖為遮住了其中央?yún)^(qū)后的樣子

隨著黑洞理論的發(fā)展，以及在射電波段觀測到的其他幾種能夠發(fā)出強(qiáng)烈射電輻射的星系，科學(xué)家們提出了一種將類星體和這幾種星系統(tǒng)一起來的理論——活動星系核模型（簡稱“AGN模型”）。該理論認(rèn)為，這些擁有強(qiáng)射電輻射的星系不同于我們現(xiàn)在的銀河系，它們應(yīng)該是正在形成的、早期的星系。因?yàn)檫@些星系距離我們太過遙遠(yuǎn)，早期發(fā)出的光穿越了遙遠(yuǎn)的距離，到現(xiàn)在才被我們觀測到。這些星系的中央都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，這個(gè)黑洞可能是由宇宙早期的超大質(zhì)量恒星坍縮而來，也可能是由星系并合所產(chǎn)生的。這時(shí)的星系中央氣體密度極高，在它們中心的這個(gè)黑洞就可以快速吞噬周圍的物質(zhì)，形成一個(gè)巨大的、快速運(yùn)動的吸積盤，同時(shí)在垂直吸積盤的兩端噴射出兩道等離子體流，發(fā)出大量的光和熱。如果這個(gè)噴流的方向正對著我們，那么幾十億光年之外的我們所看到的這個(gè)活動星系核就是一個(gè)小亮點(diǎn)，也就是很早之前大家認(rèn)識到的類星體;如果噴流的方向沒有正對著我們的視線，我們就能看到兩道延伸出數(shù)十萬光年的射電噴流，那么我們就把這個(gè)星系稱為射電星系、塞佛特星系或蝎虎座BL型天體。

大家還記得2019年天文學(xué)家們拍攝到的黑洞照片嗎？那個(gè)黑洞就位于著名的射電星系——M87星系中，這個(gè)星系在之前就以它綿延4800光年的射電噴流而著名。而在這些超大質(zhì)量黑洞將周圍的物質(zhì)吞噬盡之后，就會變成普通的旋渦星系或橢圓星系。

類星體的發(fā)現(xiàn)以及活動星系核模型的提出與完善，不僅成為黑洞存在的一大證據(jù)，還促使人們更積極地去尋找宇宙深處的類星體，通過對這些宇宙早期星系的觀測，不斷完善宇宙形成理論。

M87星系核中的黑洞

類星體藝術(shù)想象圖