几十年前,当天文学家的视野逐渐扩展向宇宙深处时,他们发现了一种奇异的天体。虽然这些天体体型不大,却能释放出强大得不可思议的能量,有的甚至比我们的太阳要亮万亿倍。
这一发现始于20世纪50年代,也就是通过无线电波观测宇宙的射电天义学崛起的时期。天文学家发现了身份不明的点状射电源。
谜题
因为点状射电源就是天空中的一个点,与同样是一个光点的恒星有些类似,天文学家把它们称作类星射电源。后来,人们在可见光波段找到了类星射电源对应的天体,看起来像是点状的恒星。特别是哈勃太空望远镜拍到的类星体的高清图片,显示类星体现象存在于星系中心,其中一些星系正处于强烈的互动或者融合状态。
当天文学家分析这些“恒星”的光谱时,惊讶地发现它们和一般的恒星并不一样。
荷兰天文学家马丁·施密特(Maarten Schmidt)在1962年利用帕洛马山天文台海尔(Hale)望远镜拍下的照片研究“3C273”的光谱,识别出其中最亮的4条谱线是氢元素的发射线。“3C273”的外观类似恒星,如果以恒星和它的光度来判断,它应该离我们不算太远。但是“3C273”的光谱显示,这些氢元素谱线的出现位置与实验室生成的光谱相比,实际谱线更靠向红光波段,测算出的红移速率是15.8%,这说明光的波长变长了,如远去的火车的声音变得低沉,天体也在离我们远去。天体发出的光的红移速度或红移值可以帮我们确定它远离我们的速度。根据哈勃定律,星系的退行速度和距地距离成正比。退行速度越快,说明离我们越遥远。15.8%的红移速率意味着离银河系有几十亿光年的距离。
而如果这个天体离我们如此遥远,这就意味着它比恒星更为明亮。比如,“3C273”的绝对星等是-26.7,我们的太阳是4.83,它的光亮超过太阳4万亿倍。当时的天文学家想象不出一个天体怎么能释放出那么巨大的能量。
“远古”巨兽
类星体到底是什么呢?科学家为此争论了十多年。有人认为它们是反物质组成的天体,也有人估计它们是黑洞的反面——白洞。多年以后,科学界达成了一致——它们实际上是一个活动的星系核,包括正在贪婪进食的超大质量黑洞和环绕其外的气体吸积盘。当吸积盘中的气体落入黑洞,能量就以电磁辐射的形式释放出来。类星体释放的能量可以在无线电、红外线、可见光、紫外线、X射线等波段上观察到。
类星体距离我们非常遥远,绝大多数都非常古老,很多都是在宇宙存在的早期就存在了,它们正处于那些活跃的、年轻的星系中心。根据斯隆数字巡天项目,现在已知的类星体超过20万个,它们的亮度往往是整个银河的10~100倍不等。它们的光在地球存在以前就已经开始穿过宇宙朝我们发射了。
在黑洞磁场的作用下,类星体会沿着转动轴方向发射两束速度接近光速的粒子喷流。喷流会穿过广阔的宇宙空间,使得类星体看上去像是某种巨大的宇宙灯塔。可是,并不是所有类星体都能发出这种壮观的喷射。
我们理解的局限性
对于类星体的基本性质,我们仍然还有很多不了解的地方。科学家相信,类星体代表一个星系生命历程的特殊阶段。在这个阶段,超大质量黑洞吞噬着大量的气体、尘埃和其他物质。有人认为,这个阶段出现在星系诞生初期,这也是为什么我们发现的类星体都非常遥远而古老的原因。
我们银河系的中心也有一个质量约400万倍太阳质量的大黑洞,但这个大黑洞目前正在“挨饿”,周围几乎没有什么物质来供它“享用”,所以它是一个不活跃的“沉睡”中的黑洞。这就意味着,它周围稀少物质的发光强度就很弱,在某个遥远星系中的观察者眼里,银河系不会以类星体的形象出现。
但是,有人相信,当银河系和仙女星系几十亿年以后相撞的时候,新合并的星系中心黑洞周围物质增加,会让黑洞获得大量“食物”而变得活跃,从而使新的星系中出现类星体。
最近的类星体
天文学家使用哈勃空间望远镜发现了一个由类星体驱动的星系,并命名为“马卡瑞安231”(Markarian231)。这个距离地球有6亿光年之远的星系的内部,有离我们最近的类星体,这个类星体中有两个巨型黑洞,质量分别是太阳的1.5亿倍和400倍。由于它们彼此离得很近,公转周期仅为1.2年。
两个疯狂相互地公转的黑洞发出的光亮甚至盖过了星系中的数十亿恒星。天文学家预测,在几十万年后,它们将不可避免地在发生合并。