中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第6部分

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是2。7，数值恰好在彭齐斯和威尔逊当初估算的〃棒球场〃内。

类星体与活动星系

　　宇宙是个极大的场所，用银河系的尺度（1000亿颗恒星聚集在8万光年直径的圆盘中）很难估量。据天文学家估计，在观测到的宇宙部分就有数百亿个星系！它们的尺度范围从麦哲伦云那样的恒星不规则聚集团块，到像我们银河系这样的旋涡星系，直到比银河系大十倍的巨型椭圆星系。除了用尺度外，还能根据它们强大的发射对星系分类，有些星系的发射强度远比数十亿普通恒星聚集起来大得多。它们极其巨大的能量输出使许多人想到，星系中心可能隐藏着超大质量黑洞。黑洞的无比巨大的引力是最显著的能量源泉。已知这类星系发出从无线电波到γ射线广大范围内总量极其巨大的辐射。对我们的论述尤其重要的是，据推测这些天体与最高能量宇宙射线的产生有关联。稍后再描述有关这些黑洞〃发动机〃的情况，这里首先按年代先后来讨论。全部各种星系的发现之中最让人迷惑的是类星体的发现。类星体研究是20世纪60年代的十年间的另一个研究热点。

　　1960年，在一次美国天文学会的会议上，A·桑德奇（Alan　Sandage）报告了他对射电星3C…48的观测研究。这颗〃星〃是罗列在剑桥大学天文学家编制的第三射电源表（3C代表剑桥第三表）上的强射电源之一。桑德奇是在射电信号位置认证出可见光源的第一人（因此相应的光源称做光学对应体），桑德奇对看到的新现象深感困惑。不像许许多多其他3C天体，这个天体看起来的确不像星系。照相底片显示，这个类似恒星的天体有非常奇异的光谱，还包括桑德奇辨认不出从哪种元素或化合物发出的发射谱线！他把这项研究归入过于困难的一类存档放了两年。

　　同一时期，C·哈泽德（Cyril　Hazard）领导的澳大利亚射电天文学家科研组，正对同一射电源表中的另一个源3C…273进行观测。由于早期的射电望远镜不能精密确定射电信号的天空坐标，没能找到这个射电源的光学对应体。碰巧1962年月亮从3C…273前面经过，哈泽德和他的合作者们准备好届时跟踪无线电信号的强度变化。这次〃掩源〃的准确时刻给出了这个射电源非常精确的位置，还显示该源实际上有两个发射点或叫做〃核心〃。两个核的发射一强一弱，距离间隔非常小，只有1/200度。哈泽德同他的研究小组仔细地对这一天区的照相巡天底片作了检查。在两个射电核心中较弱核心的位置上，他们找到一颗十分暗弱的兰星。

　　当时，哈泽德请求美国天文学家马丁·施密特（Maarten　Schmidt）将200英寸帕洛玛光学望远镜瞄准这颗星。施密特能确认在另一个较强射电源核的位置有一微弱的发光喷流。这就足以证明它是一颗十分奇异的星！当施密特拍下它的光谱后，就更看到它的怪异。同两年前的桑德奇一样，他也发现其中有辨认不出的一组发射谱线。关于这些光谱他似乎觉得有点熟悉。距他的观测6个星期之后，好运终于落在施密特的身上。他省悟到那些谱线的样式很像氢的实验所测得的谱线图样，不过那些线条落在错误的位置上！波长全部向着光谱的红端位移了16％。施密特立刻认识到他的发现的重要含义。他回到家里并向家人说：〃今天，重大事件果真碰巧落到我的头上。〃

　　施密特确信，由于3C…273以巨大速度从地球向外逃离，于是形成了红移光谱。这颗星并非恒星，最大的可能是，它是一个具有宇宙膨胀所赋予的巨大退行速度的十分遥远的星系。16％的红移意味着它的速度高达光速的16％，或者说每秒48000千米！这个红移量级比以往见过的大得多，例如，哈勃和赫马森只见到大约接近1％的红移。施密特的同事杰西·格林斯坦（Jesse　Greestein）立刻认识到，早先桑德奇测定的3C…48的神秘光谱也是同一类光谱，只是更加走向极端，其中谱线异常高的移动量竟高达37％。早先无人认识这些图样并不为奇。那样大的退行速度意味着什么，至今仍然令人们吃惊。根据哈勃的膨胀定律（退行速度对天体距离的关系定律），这个速度意味着该射电源在40亿光年以外。如此遥远的星系，怎么还能看起来像是天空最亮的射电源之一呢？

　　3C…48的射电亮度被查明有周期不到一天的变化。这个简单的观测结果引出一个难以相信的疑难，因为天体物理学中有一条规律，说一个天体其亮度的变化不能比光线横穿这个天体用的时间更快。这条规律能帮助我们想明白问题。想像某种天体的直径有10光日，假设从这个天体的所有地点同时发出无线电波，并想像这个天体是透明的，所以就能看见从天体上最远端发出的辐射。由于这个天体的大小是10光日，所以它远端发出的无线电波要比近端发出的无线电波晚到地球10天。换句话说，即便假定从这个天体的每个部分同时发出很短的辐射脉冲，例如只不过一秒钟的宽度，我们也将见到这个脉冲持续10天。如果这个天体释放的脉冲比10天更长，我们将看到它的真实持续时间，但是持续时间比10天短的脉冲都看不出来，只因为这个天体的大小有10个光日。因此，3C…48亮度变化的时间尺度只有一天就表明，该天体的发射区无疑很小，仅有一个光日的量级。显然这个发射区比我们太阳系大不了多少！

　　格林斯坦和施密特为有这些现象的源新造了一个名字叫做〃类星体〃，以表明它是类似恒星的天体。从20世纪60年代初以来，天文学家已经发现了数百个这种具有很大射电亮度和极远距离的天体。其中有些测得其距离超过100亿光年，每个的亮度相当于几百个星系。体积尺度只有我们太阳系这样大小的天体，如何能以如此巨大的能量发射，是30多年中天体物理学家们一直面对的挑战。

　　一些证据似乎引向这样的看法，类星体是中心藏有强大〃发动机〃的星系。这种发动机显然应该是一个许多种类型的辐射的发射源泉。横跨整个电磁波频谱，从无线电波直到γ射线，都观测到一些类星体。从我们的视角看来很重要的是，当前的类星体模型还表明，它们是强大的粒子加速器。类星体与银河系这样的星系确实差别很大。我们银河系也发出大量辐射，但距类星体的发射水准却相差极远。在一端是类星体另一端是银河系这样的星系之间，有一类星系在功率输出上填补了这个空隙。它们就是〃活动〃星系，它们虽不及类星体那样遥远，却另具突出特色。

　　二战期间，美国天文学家卡尔·赛弗特（Carl　Seyfert）在编制旋涡星系表时，发现了第一例活动星系。他碰到的这个星系亚群现在称做赛弗特星系，它们显出有很亮很密实的中心核。赛弗特的光谱研究揭示出，一个赛弗特星系其亮度的大部分来源于中心处极热气体湍流云的急速运动。当前已经知道的赛弗特星系有数十个，其中最亮的与弱类星体能量输出接近。

　　另一类活动星系以著名的星系CenA（半人马座A）为代表，它是天空最亮的射电源之一，是早年澳大利亚射电天文学家发现的一个星系。

　　射电望远镜开始在世界范围使用的20世纪40年代，CenA几乎是第一个被发现的射电源。它所以会那样明亮其部分原因是由于距离较近，它就在我们〃后院〃，同我们的距离仅有1500万光年。通过光学望远镜来看CenA，看到它是一个巨型椭圆星系，一条粗大的尘埃带〃走廊〃从星系中心横过，遮蔽掉部分光亮。它的触目外观给予人们深刻印象。其实，它的真实景像只能在射电频谱中见到。能见到走廊两端有两个称为射电瓣的极强大的射电波源，更远处还有第二对瓣。实际上，外瓣距星系中心有100万光年那样遥远，CenA在射电天空要伸展到4度！CenA是第二类活动星系中首先被发现的成员，称做双射电源。射电天文学家在许多这类星系的瓣中发现了高强度节点和较低强度空洞形成的很多结构。跟有些较近的类星体类似之处是，在包括X射线和γ射线在内的其他波段也观测到一些这类双射电星系。

活动星系发动机

　　类星体、赛弗特星系和双射电源的中心区无疑存在着某种特殊的情况。这种特殊活动中心区，最近给予一个专用名称，叫做活动星系核，或写做AGN。AGN内部运行的机制是什么？假如把〃效率〃规定为，运行过程中对于给定输入总燃料能获得多少能量输出，则最有效的过程之一便是核聚变。这就是普通恒星的能源，这个主题我们留待下一章讨论。把相当于燃料质量的能量包括在能量之内时，聚变过程的效率为0。7％。恒星核燃料的这部分质量最后全都转化为能量。效率虽小但全部质量所提供的能量总量却非常巨大，这就是为什么科学家耗费数十亿美元试图模仿恒星聚变来建立发电站的理由。然而，在天体物理领域另有其效率至少还要大20倍的过程，不过用来在地球上建立发电站产生能量却很不实际。让我们从中子星开始举例说明。

　　中子星是从大质量恒星死亡时超新星爆发中形成的一种十分浓缩的天体。这种遗留下来的非常紧密的恒星核，它的典型质量比太阳略大，挤压在只有30千米直径的体积中。这意味着中子星的密度非同寻常，整个星同原子核的密度一样。现在考虑一颗中子星与一颗普通恒星在相互的轨道上运动。假如轨道充分小，则普通恒星的外层大气将被中子星的强大引力吸引过去。中子星的强大引力是由中子星的很大质量集中到很小体积后造成的。捕获到的气体收集在〃吸积〃盘中。吸积盘就形成在与中子星自转轴垂直的平面中。随着气体物质向致密的中子星旋落，不断地得到能量；正像下落的球在落向地球时，不断增大速度获得动能一样。两种情况下都从引力获取能量。因为中子星周围引力极强，所以下落的气体原子能取得巨大能量。能量显然是热能，使吸积盘具有极热的内边缘。从这种双星系统发出的X射线就是从吸积盘的内缘处发出的。这个过程的效率大得惊人，释放的总能量约相当于下落气体质量的20％。

　　这就是活动星系核中所需要的那种效率。许多年里，人们对于AGN发动机的本性有怀疑，当前哈勃空间望远镜的观测提供了某些证实材料。AGN似乎隐藏着超大质量黑洞，它的能量就是来源于黑洞的万有引力吸引过程。换句话说，AGN的中心地域很像是中子星吸积的放大版本，这里代替中子星的是巨型黑洞，巨型黑洞聚集庞大的吸积盘，通过这个十分有效的机制产生辐射。黑洞是具有极强引力场的一种天体，引力场强大到甚至光线也不能从它附近逃离出来。天文学家预言说，黑洞是由质量非常大的恒星坍缩而成的。总之，天文学家认为AGN的中心存在着更大的黑洞——不仅只有5个或10个太阳质量，而是1百万个太阳质量，或许更大。

　　如果双星系统内形成一颗中子星，它距另一颗星可能非常近，通常它的引力能把那颗星外围地区的物质吸引过来。这些物质在流向中子星的过程中被加热，形成包含着强电磁场的热吸积盘，这里的电磁场能对宇宙射线粒子加速。这种系统的例证如天鹅星座X3。我们将在第七章和第八章中进行讨论。

　　M87是远在5000万光年处的室女座星系团中心附近的一个巨型椭圆星系。它是室女星座中最亮的射电星系，被定名为室女座A（VirgoA）。很多年前天文学家就知道这个天体是双射电源。在可见光波段显示，它从核心射出的一个喷流结构远达5000光年。这个暗弱的蓝色图像恰似施密特观测到的从3C…273发出的喷流的微型翻版。3C…273的喷流据估计长达16万光年。早期对M87的光学观测，还显示它有另一个与类星体共同之处。其中恒星极度向星系中心群集，使该天体具有极其明亮的核。

　　直到1994年，当已修复的哈勃空间望远镜深入地凝视到M87中心时，对这个结构更细致的观察才得以实现。H·福特（Holland　Ford）和R·哈姆斯（Richard　Harms）是进行这项观测工作的两位天文学家，他们面对着看到的清晰图景大为吃惊。发现有个盘状炽热气体旋涡环绕着核心旋转。就星系整体的椭圆特性来看，在其中心近旁发现这样的旋涡结构，确实有些令人惊奇。哈勃望远镜所具有的卓越的分辨率，使福特和哈姆斯对旋涡内缘作分光测量成为可能。他们的目标是利用多普勒效应揭示打旋的气体和尘埃的速度。这里的气体显示极高的温度，约10，000，盘所发出的光，一侧是红移，另一侧是蓝移。这正好是天文学家所预期的结果，旋转中的吸积盘从倾斜的角度看来，一侧正在离去，另一侧正在靠近。

　　这里惊人的速度量级使福特和哈姆斯激动，速度竟高达每小时200万千米，或每秒钟55千米！这就是存在黑洞的证据。打旋气体速度所提供的结果并不是旋涡中心所含质量的直接测量，而是运用自17世纪开普勒时期就知道的定律推算出质量的方法取得的。通过观测所取得的结论是，24亿个太阳的质量集中在比太阳系大不了许多的空间里。这里对中心天体的本性，并没有留下什么疑惑！照福特的话说，〃假如不是黑洞，我不知道它还是什么。大质量黑洞实际上是对所见到的M87的保守解释。假如它不是黑洞，那一定是用我们当今天体物理学理论更难理解的事物〃。这次观测所获结果绝非侥幸所得，同一个研究组于1995年12月，在活动星系NGC4261的核心又找到了另一个超大质量黑洞。这个星系也位于室女星座，距我们却在1亿光年的两倍距离之外。

　　看来这超大质量黑洞未必是预言指出的那种作为大质量恒星寿命终结时产生的黑洞。实际上这里产生超大质量黑洞所需要的条件还远达不到。广义相对论早就指出，产生黑洞所要求的物质密度（为了重力强大到足以阻止光的逃离）与黑洞质量的平方成反比。所以，当物质密度达到每立方米1000亿亿千克（原子核密度的20倍）就能产生太阳那样大的质量的黑洞。产生10亿个太阳质