书城科普天文百科图解
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第13章

克里斯琴从塞佛特活动星系、N星系和类星体之间的类似性着手探讨。这些天体具有类似的光谱,它们全部属于同一种颜色;它们的变化方式大同小异,并且全部显现出大范围的活动性——没有任何“典型的”塞佛特星系、N星系或类星体。克里斯琴提出:类星体是“蛋”,由这只“蛋”生出塞佛特星系这只“小鸡”,再发育成N星系这只“母鸡”,这种提法似乎不完全令人满意,没有证据证明类星体本身正在从一种“类星体似”的状态演化成一种更“塞佛特星系”似的状态。这当然是人们可能争议的一点,但看来以遵循克里斯琴的下列看法更为合理,即类星体实际上是在星系中心发生的剧烈事件,塞佛特星系与N星系已是这种活动性的明显例子,所需要的只是类星体事件须亮到足以遮蔽周围星系的光,并在照相底片上产生类星体的图像,这就是克里斯琴提出的理论,他用类星体照片来验证,希望它们能显现类星体周围的星系的迹象。

这类研究的问题是,一颗像类星体的明亮天体在照相底片上曝光的面积要比该天体的实像大,一个亮光点显现为一个小点。一颗类星体图像的大小只取决于它的亮度,因为它是一个点光源,然而一个星系的图像既取决于星系的亮度,还取决于星系的体积除以它的距离,因此在选定什么样的类星体来考察其周围的星系的痕迹,需要某种技巧。

大多数对类星体的认证是采用天文学家的标准天图——帕洛玛巡天星图来进行的,这是一套用48英寸(1英寸=2.54厘米)施密特望远镜拍摄的照片。但克里斯琴采用了用加英寸巨型望远镜拍摄的照片,这台望远镜可揭示较暗淡的天体。只有在已指明哪些是重要光源之后才能这样做,因为删英寸的望远镜用来进行普通的巡天观测是过于贵重的一种研究工具,因此克里斯琴的方法在很大程度上依靠施密特望远镜拍摄的原始照片而决不能够取代它。

结果证明,当用十分大的望远镜观察类星体时,它们看上去确实是与一隐晦的星系联系在一起,克里斯琴进行研究的时候,用加英寸的望远镜只拍摄了26颗类星体,但所有那些应当显示出一个隐晦的星系迹象的类星体都显现出星系迹象了。同样重要的是,根据哈勃红移定律,所研究的26颗类星体中有14颗由于距离太远,应当看不见任何星系,即便是星系存在,而克里斯琴没有发现同这14颗类星体联系在一起的任何一个星系的迹象,这样一种反证对于证实这理论极为重要。克里斯琴的结论是:他取得的观测结果同所有类星体都发生在巨大星系核心内的理论是一致的。

1974年,才发表的某些新证据给克里斯琴的结论增添了很大份量。经过几年的集中研究后,天文学家用200英寸的望远镜发现了一颗特殊天体——蝎虎座BL,它似乎是嵌置在一们艮普通的巨大星系的中心。自从60年代中期发现以来,它一直使天文学家作难。虽然从照相底片上看,它恰如一颗类星体,但它的光谱是无特色的,既无亮线又无暗线,因此测不出它的红移,任何人都只能指出它或许是一颗正以极高的速度向我们飞来的红移类星体。这样就真正打乱宇宙学者的设想,用现时的见解来解释类星体在膨胀宇宙中的红移似乎不是非常贴切的。但现在秘密已经揭穿,加利福尼亚的研究小组通过遮住明亮中心天体蝎座BL本身的图像,拍成了包围它的较暗的星系的照片。这些,照片显示出一个小的红移,可以根据它算出至该星系和蝎虎座趾的距离。

根据蝎虎座BL的亮度和这一红移测量数业已证明,蝎虎座BL天体正在发射同遥远的类星体一样多的能量,如果这些类星体所处的距离的确是它们的红移所反映出来的距离,则说明这是一种非常大的能量,目前还不确切知道这种能量是从哪些里来的,然而假如附近的蝎虎座BL能量如此,那么就没有任何理由说明别的类星体不可能如此。同样,假如蝎虎座BL是处于星系的中心,那么也就毫无理由怀疑克里斯琴关于所有类星体都处于巨大星系的核心的断言。

这似乎就是目前最好的学说。当然,在宣称对类星体已经了解以前,还有大量研究工作要作。是什么引起这些星系爆发?向它们提供动力的能量又是从什么地方来的?还有一些争议,认为某些甚至全部红移或许不服从哈勃定律,这些争议目前还不能完全排除,而且有可能提出某种迄今还不曾设想的学说对这些天体作出比以往任何一种假说更好的解释,然而按照目前(即3C273发现之后的第二个10年开始时)的情况来看,类星体似乎是产生于宇宙的冷却。但类星体毕竟不是供我们无法去认识宇审的自行其是的天体,倒反而是星系活动性和可变性的另一个表现形式。的确50年代以来所发现的射电星系很可能是类星体活动性的遗迹。最亮的和最遥远的类星体提供给宇宙学家一个探测可观察到的宇宙边缘的工具,不断改进类星体观测以及明显相关联的活动星系表明了宇宙变化性与活动性究竟有多大。到60年代中期,天文学家对于有关我们的宇宙的概念可能需要根据新天文学作重大修正的这个问题,也许比过去任何时候有思想准备。但即使如此,却没有一个人能为随之而来的一个使人震惊的发现有思想准备,这个发现不是宇宙边缘某种莫名其妙天体,而是我们自己的天文后院,即我们自己的银河系内一个前所未见的现象!

“小绿人”的故事

1967年,英国剑桥大学天文学家建造了一架射电望远镜。这架新望远镜是为了利用行星际闪烁现象来研究射电源而设计制造的。行星际闪烁同我们常说的星星“砭眼”现象有点类似。当星光通过地球的大气时,由于大气中的不均匀起伏现象,使我们看起来星星发出的光一闪一闪的,似乎在眨眼睛。这种闪烁现象同发光体相对于我们的角尺寸(我们观察发光体时视线所张开的角度)有关。恒星离我们很远,基本上是一个点,因而易发生闪烁;而行星较近,望远镜中看起来是一个圆面,因而不易看到闪烁。在射电波段也有类似的现象,不过这种闪烁不是大气造成的,而是由充满行星际空间的太阳风引起的。行星际闪烁也同射电源的角尺寸有关,甚至可以提供计算射电源角直径的方法。剑桥大学新建的望远镜就是为此目的而建造的。因为行星际闪烁在低频段较显着,所以望远镜的工作波段为81.5兆赫,又因为闪烁是很快的,所以望远镜应有很高的时间分辨率:但这样一来,信号与噪声比就较小了,于是只能增大望远镜的接收面积。落成后的望远镜占地将近2万平方米,是一个16×128个偶极天线组成的天线阵。

望远镜从1967年7月开始观测,每天给出七八米长的记录纸。记录纸本来可交计算机分析,但因为仪器刚投入运转,为了检查它们是否正常,所以决定由一位叫做乔斯琳·贝尔的研究生进行人工分析。几星期之后,她从记录上看出有一段不易辨认的记录,不像是闪烁,也不是其他干扰,而它出现的赤纬都是+23°,赤经也大致相同,约为19时20分。这段记录虽然只在100多米的记录纸上占一二厘米,却引起了贝尔的注意。她把这件事告诉了指导老师休伊什,他们便决定对这一现象作快速记录。经过一番周折,终于在11月末获得了第一个快速记录。记录笔描下了一连串脉冲,每两个脉冲的间隔都等于11/3秒。通过进一步分析,又发现它同其他射电源以同样的速度和方向通过天线束,它是按恒星时运动的——每天提前4分钟出现。

这真是叫人左右为难的事!既然它是跟恒星一起升落的,那大概是来自恒星的电波吧。但是恒星不可能在以秒计的时间尺度上产生变化。说它是人为的干扰的吧,又是谁按23小时56分的周期有规律地发出这种信号呢?问遍了全英国的天文学研究组,都得到了否定的回答,进一步的记录证明信号的脉冲周期保持得非常准确稳定,同时发现在其他频率处也有类似的脉冲。低频处的信号比高频处的要晚到一些时间,这是天文学家熟知的星际介质的弥散作用所造成的。从弥散的量,他们算出了脉冲信号源离地球的距离是212光年,远在太阳系之外,但在银河系之内,看来这像天外的“人”发来的信号。

地球外的有理智的“人”早就是幻想小说的常用主题。有的科学家设想,由于其他行星上的引力也许很大,或者因为文明的高度发展而使体格退化,这种别的世界里的高等动物也许体形很小,而且他们也许能不通过植物而直接利用恒星的光能,因而他们的肤色是绿的……于是,“绿人”成了人们常谈论的对象,可是很少有人当真对待这种幻想,然而剑桥大学的望远镜却收到了这种难以解释的信号。也许,“小绿人”正在敲我们的门啦!这是多么令人兴奋的发现呀!

但科学家是无哗众取宠之心的人。休伊什和他的学生继续仔细观察,他们想,如果信号果真是“小绿人”发出的,他们应当居住在某个行星上,行星绕它的“太阳”转动,应该引起脉冲间隔时间的变化,然而实际上没有这样的变化。到1968年1月底,进一步的记录和对以往记录的详细检查使他们确信,另外有3个源也会发出类似的脉冲信号,于是“小绿人”的假说只得靠边了,因为不能设想,天上相距如此遥远的4个地方的“小绿人”会约好了在同样的频段上,在同样一段时间里给我们地球打信号。

于是,寻求答案的努力方向又从理智的生命转回到自然界。什么样的天体才能发出如此快速而又稳定的脉冲信号呢?第一,天体的尺度应当很小,因为否则的话,天体上距我们不等的各个点发出的脉冲会相互重迭而使我们无法分辨出一个个的脉冲。根据观测到的脉冲宽度是16毫秒,可以定出天体的发射区尺度应小于3000千米。这样小的尺度看来只能是白矮星或中子星。第二,脉冲周期为1.3372275秒,而且具有高度的稳定性,准确程度达到10-8秒。天体上的周期性过程无非是3种:轨道运动、脉动和自转。轨道运动在考虑“小绿人”这种可能性时已被排除,后来的精密测量又排除了脉动的可能性,因而观察到的周期脉冲只可能是自转造成的。第三,所发现的脉冲周期是一秒的数量级,而既然这是自转造成的,说明星体要在一秒多一点的时间内自转一周。计算表明,白矮星在这样疯狂的转速下早就被扯得粉碎了,于是结论只有一个——这种被人们称为“脉冲星”的天体就是快速自转着的中子星!

到1978年,人们已经找到了300多个脉冲星,它们的周期短到0.033秒,长到3.7秒。新的观测事实进一步证明了它们都尽自转着的中子星。由于这一重大发现,休伊什获得了1974年诺贝尔物理学奖金。30年代一项不引人注意的,甚至受到嘲笑的纯理论预言,到60年代终于得到了证实。看来,对现有的理论追究到底,尽管会得到一些难以为世人接受的“奇谈怪论”,但其中也许包含着真理,会为日后的科学发展揭示出来。中子星预言的遭遇,就说明了这一点。

那么,怎么知道脉冲星就是中子星呢?对这个问题的回答起了主要作用的,不是贝尔发现的第一颗脉冲星,而是后来在1968年10月发现的蟹状星云中的那颗脉冲星。关于这颗星,还有一个漫长而有趣的故事呢。大约900年前,在我国宋朝时,曾经记录了一颗非常着名的超新星。它于公元1054年?月一个早晨突然出现,亮得白天都能看得见,过了23天才逐渐地暗淡下去。700年以后,也就是.到了18世纪,有一个英国人用望远镜在那颗亮星曾经出现的位置上看到了一团云雾状的东西,外形有点像一只螃蟹,于是给它起名叫蟹状星云。后来又发现,这团星云还在不断地膨胀,按照星云膨胀的速度和它的大小,可以推算出它开始膨胀的时间,正好是900年前我国观察到的那颗超新星出现的时间,由此得出判断:蟹状星云正是这颗超新星爆发的遗迹。

我们知道,以前发现的脉冲星用光学望远镜是看不到的,而前面提到的这颗在1968年10月发现的脉冲星却能在光学望远镜里看到,进一步的观测研究表明,这颗星在全部磁波的波段上都能够发射周期非常短促、非常稳定的脉冲信号。

这样规则的脉冲究竟是怎样产生的呢?科学家们仔细分析和研究了各种可能性,最后认为,这只能是由于这颗星自转的结果。脉冲星就好像一座可以转动的灯塔。灯塔每转一周,我们可以看到一次从它的窗口射出的灯光。灯塔不断旋转,远远看去,灯塔的光就连续地一明一灭。脉冲星也是一样,它每自转一圈,”我们就接收到一次它辐射的电磁波,于是就形成了一断一续的脉冲。蟹状星云脉冲星的脉冲周期是1/30秒,也就是说它只用1/30秒的时间就能自转一周。这样高速自转的天体,它本身的体积肯定是很小的,可是这颗星的光度却很大,大约是太阳光度的100倍,这又表示它的质量是相当大的。质量很大而体积又很小,说明它的密度非常高。只有那全都是由挤得很紧的中子构成的中子星,才可能有这样高的密度,能够飞快地旋转而不至于瓦解,从而可以确定,蟹状星云脉冲星正是一颗高速自转着的中子星。