宇宙中最亮的星

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

以無線電接收技術為依托的觀測方式

在20世紀中葉，英國劍橋大學的馬丁·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”的射電干涉儀望遠鏡，并利用它在射電波段開展巡天觀測項目。經(jīng)過數(shù)年的仔細觀測與統(tǒng)計，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記錄在了表內(nèi)。后來，兩人也因為在射電天文學方面的突出貢獻，共同獲得了1974年的諾貝爾物理學獎。

C是Cambridge的縮寫，表示劍橋大學

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，天文學家們又紛紛嘗試從光學波段尋找表中這些射電源的光學對應天體，研究不同天體在射電波段和光學波段的異同。1960年，美國天文學家艾倫·桑德奇就在光學波段中尋找到了3C星表中一個名為3C 48的射電源的對應天體。這個天體擁有極強的射電輻射，但在可見光波段下乍一看卻只是個小亮斑，視星等僅有16等。最初，大家都以為它只是顆擁有強射電輻射的恒星，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，當在固定軌道旋轉的電子受到刺激躍遷到其他軌道上時，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都發(fā)生在恒星內(nèi)部，所以由恒星核心區(qū)核聚變反應發(fā)出的光線必須經(jīng)過恒星外層，被恒星外層中的物質吸收掉一些特定波長的光后，才能到達地球。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上。后來，澳大利亞天文學家西里爾·哈澤德在1963年也找到了表中名為3C 273號射電源的對應天體，這個同樣看起來像一顆恒星的天體的光譜也有著未知的強發(fā)射線。當時的科學家們以為這些發(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光譜來尋找新的元素。因為暫時無法確定這些天體究竟是什么，科學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

幸運的是，“類星體光譜中的新元素究竟是什么”這個問題并沒有困擾天文學家們很久。1963年，美國天文學家馬丁·施密特也在對3C 273進行研究。他用了當時最先進的光學望遠鏡去測量這個天體的光譜，并對著光譜思考了一個多月后，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光譜中氫元素標志性的三條譜線，只不過它們不在原本靜止時所處的波長處，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

當一輛救護車駛向我們的時候，我們聽到的鳴笛聲會越來越短促，而當它駛離我們時，我們也能感覺到鳴笛聲的頻率逐漸降低，這是多普勒效應的一種表現(xiàn)。同理，當物體正在遠離我們的時候，它所發(fā)出的電磁波的波長也會變長，頻率也會降低。因為這種現(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，所以這個現(xiàn)象被命名為“紅移”。物體遠離我們的速度越快，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)通過對遙遠星系的觀測，發(fā)現(xiàn)了紅移這個現(xiàn)象，并且得出“距離我們越遠的天體正在以越快的速度遠離我們”的結論，那為什么科學家們辨認不出3C 48和3C 273光譜中的譜線紅移呢？這是因為在這兩個天體的光譜中，譜線的紅移量實在太大了。

在20世紀上半葉，由于技術的不成熟限制了望遠鏡觀測的極限星等，而遙遠天體因為亮度隨著距離衰減，被觀測到時一般都較為暗淡，所以人類暫時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。但3C 273中的三條特征譜線紅移量達到了15.8%，3C 48中的氫和鎂特征譜線紅移量甚至達到了37%！正是這從未見過的巨大的紅移，導致了最初科學家們都無法確認這些譜線的歸屬，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，并且正以每秒47 000千米的速度遠離我們。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，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。雖然在望遠鏡中它看起來只是一顆平平無奇、亮度為13等的小亮點，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，科學家們提出了多種假說來解釋這樣一種遙遠且明亮的天體。其中，比較著名的有黑洞假說（這種假說認為類星體就是一個遙遠的黑洞，它因正在吞噬大量的物質而釋放出巨大能量）、白洞假說（這種假說認為類星體是正在不斷向外輻射物質與能量的白洞）、超新星連環(huán)爆炸假說（這種假說認為類星體是一個處于星系核中心的區(qū)域，該區(qū)域因為物質密度極高，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。

隨著天文觀測技術的發(fā)展，在20世紀90年代，人們終于揭開了類星體的神秘面紗。當時的科學家們想要研究類星體周圍的天體結構，突發(fā)奇想地在天文望遠鏡中加入了一種類似日冕儀的設計。這種結構的望遠鏡能夠將天體中央?yún)^(qū)域所發(fā)出的輻射遮住，僅顯示天體周圍的物質結構。在遮住類星體明亮的光后，科學家們驚奇地發(fā)現(xiàn)，原來類星體是位于星系中央的一種天體，只不過之前因為類星體太過明亮而無法觀測到它的宿主星系結構。

左圖為哈勃望遠鏡拍攝的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)出強烈射電輻射的星系，科學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”）。該理論認為，這些擁有強射電輻射的星系不同于我們現(xiàn)在的銀河系，它們應該是正在形成的、早期的星系。因為這些星系距離我們太過遙遠，早期發(fā)出的光穿越了遙遠的距離，到現(xiàn)在才被我們觀測到。這些星系的中央都有一個超大質量黑洞，這個黑洞可能是由宇宙早期的超大質量恒星坍縮而來，也可能是由星系并合所產(chǎn)生的。這時的星系中央氣體密度極高，在它們中心的這個黑洞就可以快速吞噬周圍的物質，形成一個巨大的、快速運動的吸積盤，同時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活動星系核就是一個小亮點，也就是很早之前大家認識到的類星體;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年天文學家們拍攝到的黑洞照片嗎？那個黑洞就位于著名的射電星系——M87星系中，這個星系在之前就以它綿延4800光年的射電噴流而著名。而在這些超大質量黑洞將周圍的物質吞噬盡之后，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

類星體藝術想象圖