天体中的四不象——类星体

　　20世纪上半叶，天文学家发现了河外星系，并在此基础上搭建了现代宇宙观的基本结构。此时，天文观测手段已经历了3个世纪的不断改良与革新，观察视界已扩展到银河系外距离以亿光年计的地方。于是，到20世纪60年代，人类自以为是的老毛病又犯了。一些天文学家自信地认为，人类对恒星、星系的了解，已基本涵盖了宇宙中的各类天体，天空中不会再有令人震惊的新天体被发现了。然而面对科学，人类永远不能说“大功告成”。在宇宙深处，还有不知多少神秘的星辰默默运转着，并不在意人类是否了解它们。

　　就在60年代，一种闪着耀眼光芒的古怪天体出现在人类眼前。此后30年里，科学家对它的身份来历进行了种种猜测与争执，却始终莫衷一是，得不出任何有说服力的结论。因此，这种被称为“类星体”的天体，在现代天文学中占据了十分独特的地位。

类似恒星的天体

　　诞生于20世纪30年代的射电天文观测技术，具有比光学观测手段更高的分辨率、更大的观测范围。天文学家利用它对深空中的射电源进行研究，并发现射电信号主要是由湍动的气体产生的。部分射电源基本可以被认为来自含有这类气体的天体，如星云、超新星遗迹、远星系等。

　　然而，有些射电源看上去异乎寻常的小，难以归入此类，被称为射电致密源。随着射电望远镜越来越精密，对射电致密源的观测也越来越清晰，人们开始发现，射电辐射也可能是由单个恒星发射出来的。在英国天文学家M·赖尔及其同事编制的“剑桥第三射电星表”（3C）中，就有几个明显的射电致密源，如3C48、3C147、3C196、3C273和3C286。

　　1960年，美国天文学家桑德奇利用5米口径的望远镜，对这几个射电致密源所在的天区进行了仔细搜寻，发现每个区域中都有一颗恒星——至少在照相底片上，它们看起来与恒星很相似——好像就是射电源的光学对应体。被探测到的第一颗这类恒星是与3C48射电源相关的恒星。分光探测表明，它的光谱中有许多陌生的强而宽的发射线，看不出这些谱线对应何种元素，此事令天文学界大为困惑。　　1963年，射电源3C273的光学对应体被确认，它是一个与13星等的恒星类似的天体，其光谱与3C48很相似， 同样难以辩认。荷兰天文学家M·施米特对3C273进行了仔细研究，发现其光谱的6条谱线中有4条的排列方式与氢光谱十分类似，但离氢谱线应该存在的位置太远。

　　施米特大胆地判断，这些奇怪的谱线并非对应某种未知元素，它就是最普通的氢元素的发射线，只不过红移得很厉害。根据计算，3C273光谱的红移程度为0.158，即波长宽了15.8%。虽然这么大的红移表示该天体退行速度大得有些难以想象，但它可以很好地把3C273的6条谱线解释为氢、氧、镁的光谱，所以人们很快就接受了这种说法。至此，困扰天文学界三年之久的谜被揭开了。随后，3C48的谱线也得到了确认，它的红移更大，达到0.367——这也难怪人们早先不敢认了。此后发现的其它同类天体光谱也是如此，只要假设存在巨大红移，便可轻易地解释其谱线对应何种元素。

　　这些有关的天体以前早就被人们以光学手段记录下来，并被认为是银河系中普通的暗弱恒星，实际上它们是强射电源。详细的拍照研究表明，射电致密源虽然在照相底片上看起来很像恒星，但终归不是普通的恒星。天文学家把它们命名为“Quasar”，即英文“类恒星射电源”的缩写。

　　此后，又发现了一些光学性质与3C48、3C273相似的天体，但它们并不发出射电辐射，这类天体被 称为蓝星体。类恒星射电源和蓝星体被归为一类，英文名称仍为Quasar，但含义扩大为“类似恒星的天体”，简称“类星体”。这个名字虽有些拗口，却很快就被天文学界接受了。

古怪的特性

　　类星体是20世纪60年代最重要的天文发现，引起了一阵观测类星体的热潮。60年代末期，在一次大规模集中搜寻中，就发现了150个类星体。到70年代末，已观测到的类星体就超过了1000个，其中约1/3为类恒星射电源。据估计，我们能够观测到的类星体至少数以万计。迄今，人们虽仍未弄清楚类星体真正的身份，对其热衷程度却未减，哈勃望远镜等重要的当代天文设备，都以观测类星体为其重要任务之一。

　　总结起来，类星体大致有如下特点：

　　1、类星体在照相底片上呈现类似恒星的像，即星状的小点，这表示它们的体积较小。极少数类星体被暗弱的星云状物质所包围，如3C48；另有些类星体会喷射出小股的物质流，例如3C273。

　　2、类星体光谱中有许多强而宽的发射线，最常出现的是氢、氧、碳、镁等元素的谱线。氦线一般非常弱或者没有，这表明类星体中氦元素含量很少。现在一般认为，类星体光谱的发射线产生于一个气体包层，产生的过程与普通的气体星云类似。光谱发射线很宽，说明气体包层中一定存在强烈的湍流运动。有些类星体的光谱是有很锐的吸收线，说明产生吸收线的区域内湍流运动速度很小。

　　3、类星体发出很强的紫外辐射，因此颜色显得很蓝（这也是为什么非射电源 类星体被称为蓝星体）。光学波段的辐射是偏振的，具有非热辐射的特性。此外，类星体的红外辐射也非常强。

　　4、类恒星射电源发出强烈的非热射电辐射。射电结构一般呈双源型，少数呈复杂结构，也有少数是非常致密的单源型。致密单源的位置基本与光学源重合。

　　5、类星体一般都有光变。大部分类星体的光度都在几年里发生明显变化，也有少数类星体的光变非常剧烈，在几个月甚至几天里光度变化就很大。类星射电源的射电辐射也经常发生变化。光学辐射和射电辐射的变化并无明显周期性。

　　6、类星体光谱的发射线都有巨大的红移。红移最大的类星体，发射谱线波长能够扩大好几倍。对于有吸收线的类星体，吸收线的红移程度一般小于发射线的红移。有些类星体有好几组吸收线，分别对应于不同的红移，称为多重红移。

　　7、一些类星体还发出很强的X射线。

咫尺或天涯

　　红移是河外天体光谱的共有特征，没什么希奇。但类星体的红移实在太大了，按多普勒效应的公式计算，红移最大的类星体，正以0.9c（c=光速）的速度离我们远去，实在是太惊人了。

　　如果认为类星体的红移就是宇宙膨胀产生的红移，依照哈勃定律把红移换算成距离，就可发现类星体离距我们有几十亿甚至上百亿光年，属于最遥远的天体。大部分天文学家都这样认为。近几年还有科学家表示，他们通过在电磁波的非可见光波段对类星体进行探测，测得它们与地球之间的距离与利用光学手段测得的结果相似，高达近百亿光年。

　　但如果类星体真这么远的话，有一些现象就很难解释。譬如，在如此遥远的距离上，类星体还显得那么亮，那么其光度必定高达一个普通星系总光度的几十到上百倍，比1000颗超新星同时爆发还要亮。

　　如果类星体真的有星系的形式和外表，那么它其中的恒星数目应是普通星系的上百倍，尺度也比普通星系大好几倍。这样，即使与我们相隔遥远的距离，类星体在大型望远镜里也应该表现出星系的形状，即清晰的卵形光斑。然而，即使用最强大的望远镜，观测到的类星体仍然是星状的点。因此，尽管它们特别明亮，但体积应比普通星系小得多。

　　类星体光度的变化也从另 一方面证明其体积应该很小。前面说过，大多数类星体的光度在很短的时间（几年、几个月甚至几天）里就会发生较大的变化。较小的光度变化可能是天体局部增亮或变暗造成的，但光度变化较大，则一定与整个天体有关。这样，在发生变化的时间里，促使光度发生变化的效应一定会传播整个天体范围内。但任何效应的传播速度都不可能超过光速，因此如果一个类星体的光度在一年的时间里发生明显变化，则其直径不可能超过1光年。事实上，有些类星体的直径甚至小到只有几个光日（几千亿公里）。

　　体积如此小却又如此明亮的天体，其挥霍自身能源的速度一定非常惊人，因此必定活不了太长（除非有某种迄今未被发现的能源，当然这也并不是不可能）。一些计算表明，一个类星体以如此大的速度放出能量，只能维持100万年左右。这样，我们看到的类星体，只是它们刚形成不久（宇宙尺度上的不久，譬如几十万年）时的样子，这些光线花费了数十亿年的时间才到达我们这里。现在它们早就不是类星体了。

　　对于这种极远、极亮、极小的天体，我们还拿不出有说服力的解释，因此有一批天文学家认为，类星体并非那么遥远。他们提出，类星体的红移并非宇宙膨胀造成的、河外天体普遍具有的红移（即宇宙学红移），而是某 种局部原因造成的。譬如在巨大的星系爆发中，被以极高的速度从星系核里喷射出来；或者附近有某种大质量的天体，使类星体在其引力的作用下高速运动，出现所谓引力红移。甚至还有人认为，类星体的红移是由某种未知的物理规律造成的，这就从根本上向现代物理学提出了挑战。

　　类星体距离并不遥远的观点，很可以解决它的亮度和体积问题：既然并不远，就不存在以极小体积产生巨大能量这回事了。此观点最热心的支持者是美国天文学家阿普。他提出，有些类星体似乎与附近的星系存在物理上的联系。如果真有联系，那么类星体与星系所处位置（即与地球距离）应是一样的。既然星系的红移比较小，所以类星体巨大的红移肯定不是宇宙学红移，而是出于其它原因。

　　另一个令人困惑的问题，是20世纪70年代末期的一项发现：类星体内部的射电源似乎正以几倍于光速的速度彼此分离，最大的可达光速的10倍。按照目前的理论，超过光速的速度是不可能的。假如类星体真的那么遥远，那么这种超光速就可能真的存在，现代理论物理须做重大改写。如果类星体实际上距离比较近，计算出的分离速度就会小于光速，与理论不矛盾。

　　然而这些说法都不足以打倒类星体是最遥远天体的观点。一方面，天文观测的结果 更多地支持类星体距离遥远的说法，阿普关于类星体与星系存在物理联系的证据并不充分；另一方面，“超光速分离”是一种光学假象，有人对此已提出了似乎合理的解释。

能量从何而来

　　既然类星体距离遥远的说法较为通行，那我们就以此为基础猜测一下它是什么东西。如果类星体的红移是宇宙学红移，则一个类星体的辐射量，约相当于100亿个太阳核聚变产生的总辐射量。这样大的能量到底是从哪里产生的？类星体到底是什么？

　　对于类星体的本质，最可能的答案要追溯到1943年，当时美国天文学家赛弗特观测到一个奇怪的星系，它有一个非常亮要非常小的核。后来又陆续观测到了几个同类型的星系，总称为赛弗特星系。据认为，宇宙中可能有1%的星系属于赛弗特星系。

　　赛弗特星系会不会是介于普通星系与类星体之间的天体呢？它们明亮的中心呈现的亮度变化，使其中心看起来和类星体颇为相像。如果其中心亮度进一步增强，而外围部分进一步暗弱，它与类星体就难以区别了。事实上，有一个编号3C120的赛弗特星系看起来几乎就是一个类星体。

　　此外，赛弗特星系只有中等的红移，而且并不十分遥远。类星体会不会是非常遥远的赛弗特星系？它们远得使我们只能看到其小而亮的中心，而且只能看到这类星系中最亮的，从而得出了类星体格外明亮的印象。反过来，是否可以推测，类星体尽管非常遥远，但仍是我们能够看到的非常大的赛弗特星系？星系中心与类星体确有许多相似之处 ：体积很小；光谱中有很强的发射线；发出从射电波段到X射线波段的非热辐射；经常有光变和爆发现象等。一些新拍得的照片表明，类星体周围确实有雾状物质的迹象，似乎表明是一个暗弱星系包围着小而活跃并且非常明亮的中心。因此我们可以假设，在距离我们10亿光年以外的宇宙深处，像我们邻近区域一样充满着星系。然而这些星系大多暗弱得用光学的方法分辨不出来，我们只能看到那些最大、最活跃星系的明亮中心。

　　在类星体的星系模型中，能量可能来自于恒星间的碰撞。星系核心里恒星密度极高，经常发生碰撞，从而释放能量。而且恒星在碰撞中会粘合在一起成为越来越大的恒星，大质量恒星迅速演化为超新星，然后爆发，释放高能电子。这一模式的缺点在于，如果要恒星发生如此密集的碰撞，则类星体内部恒星数密度，应当高达我们附近空间里恒星数密度的1万亿倍。

　　还有理论认为，类星体是质量约为太阳1亿倍的大质量恒星，它的光度可能达到我们观测到的类星体的光度。但这种大质量恒星释放出的辐射应当具有热辐射的性质，而不是像类星体那样放出非热辐射；此外，这样大质量的恒星也很不稳定。

　　其它有代表性的理论包括：

　　1、类星体是巨型的脉冲星（中子星）。有一个与 强磁场相连的、迅速自转的超大的核。这种星体比较稳定，光度也很高。同时，由于自转，磁力线不时地会扭结，产生能量爆发，这可以用来解释类星体的光变。但这种模式里的光变应该是周期性的，而观测到的类星体光变并不具备周期性。

　　2、类星体的能量来自星系核里正在吞噬物质的黑洞。黑洞的巨大引力具有一个临界区域，进入这一区域后，包括光在内的一切物质都无法逃逸。而在这个区域之外，黑洞引力虽大，但并非所有物质都无法逃脱。气体、尘埃和恒星在高速旋转着被吸进黑洞时，在运动中产生的强烈辐射会挣脱黑洞引力而向周围扩散，这些辐射包括可见光、红外线、紫外线及其它射线。

　　英国天文学家A·费边教授1999年还提出，对目前观测到的宇宙背景辐射资料进行分析可以发现，这些射线的来源无法完全用恒星或普通亮度的类星体等天体来解释。他认为，宇宙中可能还存在着大量没有发现的暗类星体，这些类星体中包含黑洞，这些黑洞可能是宇宙中各类辐射的重要来源。由于利用现有手段难以被观测到，这些黑洞周围所产生的巨大能量远远没有得到充分认识。

　　在暗类星体中，黑洞吞噬物质产生能量的机制与亮类星体是一样的，但产生的可见光和紫外线在试图从黑洞区域逃逸时，会被暗类 星体中的尘埃和气体等吸收，被吸收的辐射会再以远红外线的形式重新发散。这部分远红外线和来自黑洞区域的其它射线具有穿透气体和尘埃的能力。目前的射线观测设备无法探测到上述来自黑洞区域的射线，而现有的远红外望远镜也无法发现在黑洞周围重新发散出的远红外线。美国宇航局的钱德拉射线望远镜、欧洲航天局的多镜头射线天文卫星（ＭＭ卫星）等新型观测设备，有可能探测到这些射线。

　　3、类星体能量来自于物质与反物质的湮灭。反物质概念是英国物理学家保罗·狄拉克最早提出的。他在30年代预言，每一种粒子都应该有一个与之相对的反粒子，例如反电子，其质量与电子完全相同，而携带的电荷正好相反。根据大爆炸理论，宇宙诞生之初，应产生了等量的物质与反物质。可能由于某种原因，大部分反物质都转化为了物质，或者难于被观测到，导致在我们看来这个世界主要由物质组成。据认为，类星体产生于宇宙诞生早期，其内部还存在着一些反物质。物质与反物质之间剧烈湮灭，释放出巨大能量。物理学家已经发现了少量的反电子等粒子，但并未发现复杂反物质存在的确凿证据。因而上述说法看起来根基不牢。

　　4、类星体是作为黑洞反面的“白洞”。与黑洞类似，白洞也有一个封闭的边界，聚集在白 洞内部的物质，只可经边界向外运动，而不能反向运动。因此白洞可以向外部区域提供物质和能量，而不能吸收外部区域的任何物质和辐射。当白洞中心附近所聚集的超密态物质向外喷射时，就会与周围的物质发生猛烈碰撞，从而释放出巨大能量，这有可能就是类星体能量的来源。与反物质一样，白洞也只是一种理论模型，尚未被观测所证实，因而此说法也不具备说服力。

结语

　　无论类星体的能量来自于何方，可以肯定的是，产生如此巨大能量的事件必定极端猛烈，造成不可言状的大破坏。每一个类星体，都可能意味着成千上万的世界——其中某些世界或许存在生命、存在能够理解所发生事件的智慧生物——被彻底毁灭。宇宙在大尺度上是井然有序、优美无边的，然而对人类这样渺小的物体来说，一个微不足道的天文事件都可能是我们做梦也想象不到的剧烈混乱。

　　我们所在的这个宇宙，既产生了允许生命存在的条件，又无时无刻不发生着星星的诞生与死亡这样灾难性的事件。对于微不足道的人类来说，宇宙并无善意，亦无恶意，只是漠不关心罢了。