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《柔软的宇宙 第19章 黑暗的心 》




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科技 科普

更新时间:2017年8月16日

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       不管是伽马射线暴也好,还是超新星爆发也好,都是瞬间发生的突发事件,只能被动地去等待。哪里爆了,马上调转镜头过去看看余晖。最新发射的观测伽马射线暴的雨燕(Swift)卫星就是这么干的。探测到有伽马射线的突然增强,迅速探明方位,一分钟内,望远镜就能转过去对准发射源,盯着余晖开始收集数据。但是不管怎么样,研究的时间总是有限,我们总不能两手一摊说没看清楚,我架好相机了,麻烦您再爆一回吧?这又不是拍电影,导演可以喊“咔!”但是有一类天体,也是能量极其巨大,但体积却很小,看起来与恒星并没有什么区别,倒是可以长时间的稳定观测,到底是个什么东西呢?

        那是在二十世纪六十年代射电天文大发展期间,有一个重要发现叫“类星体”。人们一开始只是合并光学观测资料和射电观测资料,说白了就是射电望远镜在某个方位听到了射电信号,然后看看那个位置是不是有一颗光学上看得到的星星,假如能对应起来,那么对这颗星星就能建立一个非常全面的了解,从射电波段到光学波段整合起来考察。之后大家陆陆续续发现了一大批射电信号很强的天体,不过有一个天体的谱线让大家很困惑。1960年,美国帕洛马山天文台的艾伦·桑德奇首先在三角座发现了一个射电信号源3c48,这个天体看起来不过是个普通恒星的样子,但是它的谱线与其他的恒星都不一样,有非常宽的发射谱线,一般的恒星都是吸收谱线,紫外波段也比别的恒星强得多。后来发现另外一颗射电源3c273也是类似的情况,总而言之,光谱比较奇葩。1963年,英国天文学家西里尔·哈泽德提出:月球将会遮挡射电源3c273,月球的遮挡,可以更加清晰地分辨这个射电源的细节,根据月
球边缘遮断射电噪声的时刻能够极精确地定出3c273这个源的位置。果然,他利用设立在澳大利亚帕克斯的六十四米射电望远镜精确地观察到了月球渐遮挡这颗射电源的过程。他发现这个射电源其实是“射电双源”,两个射电源之间,夹着一颗恒星。

        无论是艾伦·桑德奇还是西里尔·哈泽德,都没能搞清楚这东西究竟是个什么玩意,为什么会有如此奇怪的谱线。哈泽德的同事施密特最终发现,这是一种全新的天体。他用帕洛玛山的五米望远镜仔细观察了这个天体的光谱,准确地测量了每一条谱线,回家闷头想了一个礼拜,终于恍然大悟:这些谱线看上去很奇怪,但是其实并不是什么新鲜东西,就是最常见的氢光谱线系,只是发生了巨大的红移,因此大家都不敢认了。施密特把他的结论发表在英国的《自然》杂志上,当时没人发现过红移如此巨大的天体,这个天体红移巨大,显然不是在银河系里面的普通恒星,而是一种非常特别的天体,距离地球大约十亿光年,体积与恒星差不多,但是亮度足足比整个银河系大了二百倍。

        既然不知道这东西为什么能亮到如此地步,而且还能稳定地持续好多年,那么只能给它起个直截了当的名字,于是科学家们把它叫做“类星体”,说白了就是“类似恒星的天体”。这个名字基本上是等于什么都没说,后来人们提起类星体的发现者一般来讲都会提到施密特,对桑德奇和哈泽德很少提及。据说桑德奇很郁闷,最后一走了之,再也不碰帕洛马山的五米望远镜。说到底,有人的地方就有江湖啊,科学家也概莫能外。

        后来,科学家们逐渐发现了一些“宁静的类星体”,它们并没有强烈的射电辐射,大部分类星体的辨别只能从光学信号特征上下手。依靠光学观测统计出有射电信号的大约只占了10%。几十年来,类星体发现了成百上千颗,有了CCD加盟以后,更是可以利用计算机技术实现自动拍摄,观测也比以前更加方便了。但是类星体依然是“类星体”,没人知道这东西到底是个什么玩意,如此巨大的能量又从何而来。其实只要我们粗略估计一下,就足够让我们“细思极恐”。看上去跟恒星没啥区别,能量却如此巨大。那么毛估一下光压就大得不得了,引力能不能拉住这些动力澎湃的物质呢?要多大的质量才能有如此强大的引力?别忘了,体积还很小哟!答案指向了一个理论物理学家们的最爱——黑洞。黑洞能如此之亮?反了吧,是白洞吧?白洞一个劲往外喷,倒是个很不错的解释哟!可是我们的宇宙好像没有白洞形成的条件,这种可能性很小。但黑洞怎么会如此之亮呢?类星体仍然是个谜!

        与此同时,天文学家们发现,宇宙中还有些东西看起来很像是类星体,光谱之中也有发射线,但它们显然不是类星体,它们都是星系的核心。通过望远镜,可以观测到它们所在星系的结构。塞佛特星系的星系核光谱很像类星体,这两者有什么联系吗?还有一种奇怪的蝎虎BL星系,星系核亮度变化很大,可以在几个礼拜的时间内就增亮一百倍,光谱和类星体也很相似。科学家把这几个类型的星系核统称为“活动星系核”,星系核由于太亮,而且尘埃和气体实在是太多,显得迷雾重重,根本看不清楚里面有什么东西。银河系中心也有一个大核球,恒星非常密集,银河系核心部分就看不太清楚。这还是离我们最近的一个星系核,别的星系就更不行了。

        后来科学家们发明了一个办法,那就是用红外波段去观察银河系核心,红外波段波长比较大,不太容易受到尘埃和气体的影响。在红外波段,我们终于可以穿透迷雾看到银河的核心部分了。从1995年~2005年,科学家们动用了最大的凯克望远镜对着银河核心部分观察了十年,描绘了银河系最中心部分的恒星运动轨迹,发现它们都围着一个体积很小的区域转圈圈,范围大约相当于冥王星的轨道直径。人们猜测在那儿一定有什么东西,可是照片上又看不到什么,这个区域还是一个超强的射电源,后来人们把它称为“人马座A*”。

        大家根据周围那些恒星转圈圈的轨道来反推这个区域的质量,计算出来大约是四百万个太阳质量。既然这个区域有很强的射电辐射,那么可以通过射电观测的办法来确定到底这个射电源有多大。后来又利用甚长基线干涉技术,算出核心部分大小只有0.3天文单位,大约是水星轨道的范围,这个看不见的天体大小不超过水星轨道。如此狭小的空间内,能挤下四百万个太阳质量的东西?看来已经尘埃落定,不是超大质量黑洞那才叫见了鬼呢!

        大家再接再厉,又在银河系外其他星系的核心发现了超大黑洞。看来星系核心有一个超大黑洞是个普遍现象,黑洞与星系的发育和成长是很有关系的,黑洞越大,星系恒星就越多,仿佛黑洞有办法催生一大堆恒星。也就在大家开始观察银河系星系核的时候,天文学家们又发明了一种新观测方法,那就是观察类星体的时候,挡住中心的大亮点,有点“人造日食”的意思。哈勃太空望远镜就有这个功能,这样一来,被类星体的光芒掩盖的周围部分就可以看清楚了。

         图19-2 遮挡住中心强烈的辉光,终于看到了宿主星系

        人们发现,原来类星体就是个活动星系核,过去是因为中心太亮,导致周围星系盘子被光芒掩盖看不到,现在终于观察到了宿主星系(图19-2)的结构,类星体能源之谜基本上揭开。结果当然不出所料,星系核心的超大黑洞在疯狂地吸收周围的物质,周围的气体和尘埃变成了一个吸积盘。吸积盘长相类似于土星的光环,但是这个吸积盘可比土星环狂暴多了,物质围绕着黑洞高速旋转,有的物质掉进去,我们自然是什么都看不到了。还有很多物质在绕着黑洞旋转的过程中相互摩擦挤压,释放出了巨大的能量,质量转化成能量的效率要比恒星高得多。旋转的吸积盘形成了相对论性喷流,沿着整个黑洞和吸积盘的南北两极喷射出去,假如喷流正对着我们,我们就可以看到一个明亮的大光点。

        还记得旋转黑洞的克尔解吗?那些在讲座上昏昏欲睡的天文学家们,现在要抓紧时间拼命恶补旋转黑洞的计算问题了,计算相对论性喷流恐怕是离不开克尔的计算方法的。当然啦,还有人怀疑这是彭罗斯过程和米斯纳超辐射在捣鬼,不过大部分人还是相信相对论性喷流才是正解。

        过去物理学家信誓旦旦地说存在黑洞这玩意,天文学家都不信,因为这东西谁都没看到过,黑洞不过是理论物理学家的计算结果。现在完全颠倒过来,天文学家们都拍胸脯说存在黑洞,物理学家们反倒狐疑起来,这东西真的够黑吗?信息不守恒怎么破?一系列挠头的问题在困扰大家。因此霍金甚至说:这东西应该叫“灰洞”,并不完全乌漆墨黑!在2015年2月26日出版的国际顶级科学期刊《自然》上,“研究快报”栏目刊出一篇论文,名为《一个红移6.3、有120亿倍太阳质量黑洞的超亮类星体》。中国团队发现了一个距离我们一百二十八亿光年,亮度达到太阳四百三十万亿倍的类星体,中心黑洞的质量也达到了一百二十亿个太阳的惊人数字,这也成了当时发现的最明亮、最遥远、中心黑洞质量最大的类星体。

        我国过去长期缺乏大型观测设备,望远镜口径有限,观察这么遥远的天体需要下一番工夫。我国的年轻团队对比了国内两米口径望远镜的观察数据,以及美国六点五米的多镜面望远镜(MMT)和八点四米大双筒望远镜(LBT)的数据,发现只要方法得当,两米级别的望远镜,还是可以用来观测类星体的。他们利用丽江口径二点四米望远镜,发现了几个红移在6以上的天体,之后又申请调用国外三台大望远镜的观测数据,最终确认了一个黑洞质量最大的类星体,这家伙比以前发现的那些高红移类星体的质量和亮度都要大四倍。

      遥想当年,宇宙诞生也不过才九亿年,如何能生长出如此巨大的黑洞?按照我们过去的理论,超大黑洞也是从小慢慢成长,后来越吃越大的,现在看来时间不够,起码对这个一百二十亿个太阳质量的大家伙是肯定不够的。后来黑洞的记录又被刷新,一百八十亿倍太阳质量的黑洞也被发现了,这就更加说明,必然有一种机制,可以超越恒星级黑洞直接形成超大型黑洞。早期可能直接形成了质量达到数十万个太阳质量的“相对论星体”,该星体会因其核心产生扰动而开始出现不稳定状态,可以在没有形成超新星的情况下直接塌缩成黑洞。当然,这要积累更丰富的观测数据才能了解得更多,现在还只能在大型计算机上进行模拟计算。

        我们看到的这些遥远的类星体,都是宇宙早期的情景。因为离得越远,光跑过来花的时间也就越长,宇宙早期十亿年左右发生的事,现在刚好被我们看到。我们看到的类星体都是活蹦乱跳生机勃勃的,毕竟那是万物初始的时代,超大黑洞那时候有的是东西可吃,因此发射出了强烈的喷流,但是河系中心的那个超大黑洞已经饿了好久了,周围的东西早都吃光了,偶尔有什么东西路过被吃掉,还能看到银心黑洞“打个饱嗝”——发生一次闪光。专家们预言:2013年会有一大团名叫G2的云气路过银心,应该会发生一个大爆发。哪知道后来一直很平静,银心黑洞并没有半路打劫,说好的大爆发并没有到来,看来G2还真是幸运。


                           图19-4 绿色鬼魅般的汉尼天体

        在2011年,哈勃还看到一个神秘现象,那就是汉尼天体(图19-4)。其实汉尼天体2007年就被人发现了,是一团神秘的绿色云团。国际上有个项目叫做“星际动物园”,在网上召集大群的志愿者来对“斯隆数字巡天计划”积攒的星系进行分类,荷兰教师汉尼幸运地发现了这种神秘的绿色云团。后来经过研究,这种云团就是被喷流探照灯照亮的一团云气。

        这个喷流在二百万年前就灭了,但是汉尼天体依然有余晖存在,而且还能看得出,上面有一大团阴影,这是怎么回事呢?这是当年类星体还在活动的时候,喷流被一团云气给挡住了,留在汉尼天体上的影子。就像电影放映的时候,小朋友总喜欢伸手做个手影投射在银幕上一个道理。后来又经过精细研究,大家发现这一片发光的云气其实是一大块云气的一小部分,因为当年那个类星体喷流就像个探照灯,仅仅喷到了很小一块地方,这块云气总大小有三十万光年上下,就是当年两个星系合并的时候互相撕扯留下的气体尾巴。从这个尾巴的形状来看,两个星系在引力的作用下跳起华尔兹,周围的气体也被挥洒得如同飘舞的彩带,加上中心喷流照亮的部分,显得鬼魅般神秘。最后两个星系合并成一个不规则的星系,两个星系核中心的超大黑洞也相互围绕旋转,辐射出一阵阵的引力波,直搅得周天寒彻。喷流熄灭以后,汉尼天体仍然会有余晖。据推测,我们的银河系与仙女座大星系在四十亿年以后合并之时,周围也会有一大团绿色发光气体包围着我们,也不知道那时候的夜空是何等情景。

        类星体的红移量非常大,根据红移推测,它们的退行速度达到了光速的几分之一的样子,这已经是很了不起的高速了。类星体的喷流即便发现超光速现象也不新鲜,例如在1972年,美国天文学家就发现类星体3C120的膨胀速度达到了四倍光速,还有人发现类星体3C273中两团物质的分离速度达到了九倍光速,而类星体3C279(QSO1254-06)内物质的运动速度达到光速的十九倍。当时人们以为相对论遇到了严重挑战,后来才发现不是这么回事。其实这都仅仅是视觉现象,并不是真的超了光速,人家运动速度没那么夸张。不仅仅是遥远的类星体,在银河系内也发现了这种视觉超光速的天体。1994年,银河系中的GRS1915+105首次被发现存在视超光速喷流,这种东西叫做“微类星体”,就是两个致密的天体相互绕着转,附带有吸积盘,跟类星体长得很像,只是规模不太上档次,所以叫做“微类星体”。一般来讲视觉超光速现象都是喷流的方向与我们的视线有个小的夹角,我们在观察喷流速度的时候,看上去会超过光速,但其实并没有发生超光速现象,只是一种视觉几何效应。当然了,因为空间本身的膨胀不受任何限制,假如有的天体退行速度达到了光速,那么我们就看不到它们了,它们就在我们的可视宇宙范围之外了,但是真的永远不可能看见它们了吗?不一定。哈勃发现了宇
宙在膨胀的直接证据,那就是在大尺度上,所有天体都在远离我们。天体的远离速度跟距离成正比,离得越远退行越快,这个距离和速度的比值就是所谓哈勃常数。之所以称常数,那就是因为不变化,但是,哈勃常数真的不变吗?不是的,“哈勃常数”并不“常”。

        首先在宇宙爆炸的初始阶段,有过暴胀阶段,那一刻的膨胀速度大得吓人,远远超过了光速,后来过了这个阶段,膨胀速度就降下来了。大约到了六十亿年之前,我们的宇宙开始加速膨胀,随着时间的推移,膨胀速度是有变化的,换句话说,哈勃常数是变化过的,因此哈勃常数并不是一个“常数”。我们现在可视宇宙的大小,就是当前哈勃常数的倒数,再远的区域,我们看不到了。假如在这个区域的边缘上,星系的退行速度将等于光速,发出来的光永远也走不到我们眼里,我们当然也就没法看见了。但是,如果未来哈勃参数变小了,视野范围变大了,那么原本在视野之外的天体,很可能又会重新被刮进可视范围之内。不过这只是理论上的可能性,恐怕要经过几亿年的尺度哈勃常数才会有显著变化,真是活得久才能看得见。

        还有一个地方大家可能会有疑问:为啥宇宙膨胀,周围的天体都没膨胀呢?我们自己也没膨胀啊?假如大家等比例膨胀,等于没胀。这里我们首先要理解哈勃常数的含义,天体的距离和退行的速度成正比。我们人和人之间的距离在宇宙大尺度面前,那是可以忽略不计的。两个人之间的远离速度多大?小得几乎为0,很轻松就能被其他的力打败,比如万有引力,比如电磁力。化学结构基本上是电磁力管控的范畴,引力虽然弱小,也能够轻松克服膨胀的效果,哪怕是银河系到仙女座星系这样的距离内,引力还是占了主导地位,两者还在彼此靠拢。在超越星系团以上的更大的尺度内,引力不明显了,膨胀才能看得出来。更远的尺度内,暗能量发挥作用,宇宙开始变本加厉地加速膨胀。

        我们对宇宙的了解,都是通过电磁波来实现的,但是,有些事情是属于“黑吃黑”,比如两个恒星级黑洞合并,周围又空空荡荡并没有什么东西给它们吃,因此也不会有什么喷流或者吸积盘之类的事情发生。现在对于黑洞的探测都是依靠观察外围效果,比如吸积盘啦,喷流啦,或者是恒星绕着小圈圈疯狂地转啦,都是靠黑洞对周边可视天体的影响来判断黑洞的特性的。黑洞从来也不会直接告诉我们它自己的信息,也许它告诉我们了,我们却没听见。它能告诉我们什么呢?且听下回分解……
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