类星体

  我们会认为,拥有几十亿颗恒星的星系是宇宙中最明亮、能量最大的天体。其实不然,在宇宙深处,存在着许多能量喷泉——与星系相比,个头很小——但它们释放出来的能量却几百倍于星系。这些致密的光源曾被认为是以射电波形式辐射能量的天体,被称为类星体:类似恒星的射电源之简称(这一名称有时会被误解,因为有一些类星体并不发射无线电信号)。

类星体是荷兰天文学家施密特(Maarten Schmidt)于1963年发现的。在威尔逊山天文台工作的施密特在对一特殊明亮、高度聚焦的叫做3C273的射电源进行观测。原来,这一天体被认为是银河系里的一颗恒星。施密特证明它必定远在银河系之外,并估算出其距离为20亿光年。证实其确是一遥远的天体后,他估计其绝对亮度为恒星的数亿倍。此后,陆续发现了几百个类星体

不规则星系则相反,如大、小麦哲伦云,具有不规则的外形。在许多情况下,它们向各个方向伸展。要不然,就是由于近邻星系的引力拖曳使它们失去了规则的外形。大、小麦哲伦

现在,还不能确切知道这些强大烽火能量的来源。比较使人信服的理论是:类星体是正在形成中的年轻星系的亮致密核心。在此模型中,类星体的强爆发能量来源于星系核中心的超大质量黑洞吸积周围的物质。当气体落入黑洞时,过剩的引力能量辐射出去。这一机制能说明为什么这么小体积的能源能发出如此大量的光。

云确实是被银河系的引力撕裂成不规则的形状。

按星系的外形分类,还有椭圆星系和棒旋星系。椭圆星系是最普遍的一类星系,外形似绕其轴旋转的卵蛋——换句话说,似星系足球。因为它们储存的气体较少,不足以形成新的恒星,它们差不多只含有较老的星族Ⅱ恒星。大多数椭圆星系属矮星系,巨大的椭圆星系相对地较少。M87是一个巨椭圆星系。

棒旋星系,是规则星系类型中为数最少的一类。它与正常旋涡星系的区别,在于其存在着一个连接旋臂的中心亮棒。怎会出现这么个棒?至今尚未完全弄清楚。

银河系被描绘为一个普通的旋涡星系。它曾被认为与仙女星系的外形极其相似,但近来不少迹象表明它可能是一个棒旋星系。

直到前不久,天文学家认为宇宙中大约有100亿个星系。但由于HST的发射,在1996年星系计数的结果,认为宇宙中的星系至少有500亿个。这一卓越的结果,是位于巴尔的摩的空间望远镜科学研究所的科研人员,用HST上的广视野照相机获得的。将北斗七星附近的一小长条天空放大,他们见到了以前从未见到过的几千个星系。从统计的角度考虑,这表明宇宙中存在着比过去所认为的多得多的星系。

星系在空间的分布是不均匀的,而有成团的倾向。例如,在银河系附近,有许多不同形状和大小的星系,它们由于引力吸引而被松散地联系着。这些包括仙女星系,大、小麦哲伦云,人马座矮星系和几十个其他星系,它们组成所谓的星系团。当这些成团的星系在空间运动时,它们倾向于一致地旅行,彼此间离得不太远。

宇宙中的大部分星系都是星系团的成员。以银河系和仙女星系为主体的星系团叫做本星系群。在天文学教科书中经常提到的星系团有室女座星系团(估计距离我们5000多万光年),有1000多个成员,和后发座星系团(估计距离我们3~4.5亿光年)。

星系和星系团是怎样形成的呢?它们是不是一直是我们现在所观测到的形状,或者它们是从更原始的实体演化而来的?要回答这些问题,需要考虑一下早期宇宙的情景。

宇宙学家相信,宇宙曾一度比现在小得多,也热得多。今日宇宙中千姿百态的细节正是从这个致密的熔炉里被美妙地煅造出来的。

什么是类星体?

  每当我们看远处的物体时,我们知道所看到的光(或无线电波)经一定时间的传播才被我们看见。在任何情况下,无线电波都不可能比光传播得快。当物体发出的无线电波一开始传播,我们就可以看到这个物体,而不用等到无线电波传播结束。这样,当我们观察仙女座时,我们看到的光线是在22 万年前发出的,所以在22 万年以前我们就能看到仙女座。

  当然,现在我们看到的仙女座星系和在22 万年以前的没有什么不同,所以在这种情况下,维持的时间可以忽略。但是当我们观察离我们更远一些的星系时会怎么样呢?我们能看到的最远的星系又是什么呢?
 
  当我们看到这些最远的星系时,我们还不知道它们是在很远的地方。随着射电望远镜的改进,并利用通过微波测得的清晰的画面把某些射电源缩小到一个很小的范围。这些是压缩射电源,在这种射电源中有3C48、3C147、3C196、3C273 和3C288。3C 是剑桥第三波源目录的缩写,是由英国天文学家马丁·芮利编辑的一个清单。

  在1960 年,美国天文学家阿兰·瑞克斯·桑德治调查研究了这些射电源并发现它们好像都是从16 个模糊的大恒星中产生的。这非同寻常,因为单个恒星不是可被探测的微波源。我们从太阳中接收到微波,因为它离我们比较近。那么为什么会从模糊星中接收到微波呢?天文学家们认为它们可能不是普通的恒星,而是类似星星的射电源。在1964 年,华裔美国天文学家邱宏业把它简称为类星体,从此也就这么叫了下去了。

  那么什么是类星体呢?在1936 年,美籍荷兰天文家马瑞亭·斯科米特对3C273 的光谱感到非常迷惑,这些线看起来很直,但是使他意外的是它们和普通恒星在紫外线区域内的谱线相似,它们只是产生了很大程度的红移,这就是马瑞亭·斯科米特感到迷惑的原因。从红移中可以得知,3C273 不是普通的银河系恒星,而是离我们10 亿光年远的可被探测到的普通星系外的物体。其他类星体离我们更远— —3C273 是最近的类星体。现在我们知道了它们当中的几百个,其中一些类星体离我们有100 亿或120 亿光年远。

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类星体PKS1127-145的X射线照片,它是一个非常亮的X射线以及可见光源,离开地球大约100亿光年,从类星体延伸出的喷流至少有1百万光年。这一喷流可能是由高能电子和微波光子碰撞而形成的。

  现在的问题是怎么才能看见这么远的物体呢?我们必须假设它们比星系亮,它们就像1 兆个太阳和100 倍的普通星系那么亮。同时,我们发现它们的射电辐射是变化的,经常是在几个星期内发生很大变化。这表明类星体的存在不可能超过几兆光年(即万亿公里),从头到尾,在这么短的时间内没有其他因素会引起这种变化,因为没有比光速传播再快的方式了。一个这么小的物体怎么能释放出这么大能量呢?

  最可能的答案还要追溯到1943 年,美国天文学家卡尔·塞弗特观察到了一个有又亮又小的彗核的星系。这种类型的其他星系也被观察到,现在这些星系叫做塞弗特星系。

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M77 鲸鱼座的一个塞弗特星系

  这些塞弗特星系的彗核非常活跃,可能是因为它们含有不寻常的大黑洞,而且这些黑洞严重破坏了它们的核心部分。也许类星体就是又大又亮的塞弗特星系,我们都知道它们位于很远的地方,小得看起来像是一个活跃的发光的核。事实上,最新的研究就是围绕着类星体可能代表着一个星系的边远部分这一问题进行的。因为类星体的大部分位于离我们有几亿光年远的地方,它们一定是在宇宙很年轻的时候形成的。也许,当这些星系刚刚形成,它们的大部分就灾难性的在中心部分塌缩为一个黑洞。随着时间的流逝,黑洞吸掉了它可以吸走的一切物体,然后这些星系成为更平静更稳定的物体,所以在10 亿年前所有的类星体就冷却下来了。这仅仅表明年轻的宇宙和现在的宇宙不同,而且经历了一个变革的过程。这是和宇宙没有真正的开始状态并且在过去未知的年代里都是椭圆形的理论相矛盾的。