類星體

類星體

類星體是類似恆星天體的簡稱,又稱為似星體、魁霎或類星射電源,與脈沖星、微波背景輻射和星際有機分子一道並稱為20世紀60年代天文學"四大發現"。長期以來,它總是讓天文學家感到困惑不解。

類星體是迄今為止人類所觀測到的最遙遠的天體,距離地球至少100億光年。類星體是一種在極其遙遠距離面板測到的高光度和強射電的天體。類星體比星系小很多,但是釋放的能量卻是星系的千倍以上,類星體的超常亮度使其光能在100億光年以外的距離處被觀測到。據推測,在100億年前,類星體數量更多。

  • 中文名稱
    類星體
  • 外文名稱
    A quasar
  • 發現時間
    1960年
  • 別    稱
    似星體、魁霎或類星射電源

基本介紹

類星體是類似恆星天體的簡稱,又稱為似星體、魁霎或類星射電源,與脈沖星、微波背景輻射和星際有機分子一道並稱為20世紀60年代天文學“四大發現”。長期以來,它總是讓天文學家感到困惑不解。

類星體是20世紀60年代最重要的天文發現,引起了一陣觀測類星體的熱潮。60年代末期,在一次大規模集中搜尋中,就發現了150個類星體。到70年代末,已觀測到的類星體就超過了1000個,其中約1/3為類恆星射電源。據估計,人們能夠觀測到的類星體至少數以萬計。迄今,人們雖仍未弄清楚類星體真正的身份,對其熱衷程度卻未減,哈勃望遠鏡等重要的當代天文設備,都以觀測類星體為其重要任務之一。

發現歷史

20世紀六十年代,天文學家在茫茫星海中發現了一種奇特的天體,從照片看來如恆星但肯定不是恆星,光譜似行星狀星雲但又不是星雲,發出的射電(即無線電波)如星系又不是星系,因此稱它為“類星體”。類星體的發現,與宇宙微波背景輻射、脈沖星、星際分子並列為20世紀60年代天文學四大發現。

1960年天文學家們發現了射電源3C 48的光學對應體是一個視星等為16等的恆星狀天體,周圍有很暗的星雲狀物質。令人不解的是光譜中有幾條完全陌生的譜線。1962年,又發現了在射電源3C 273的位置上有一顆13等的“恆星”。使天文學家同樣困惑的是其光譜中的譜線也不尋常。

1963年,終于有人認出了3C 273譜線的真面目,原來它們是氫原子的譜線,隻不過經歷了很大的紅移,使得譜線不易證認。循著紅移這條線索,再去分析3C 48的光譜,得出它的紅移量還要更大。構想紅移產生于多普勒效應,那麽3C 273和3C 48都有很大的退行速度,分別達光速的1/6和1/3。對于這種在光學照片上的形態像恆星,但是其本質又迥然不同的天體,天文學家把它們命名為類星射電源。進一步的觀測和研究揭示了又一類天體,它們的形態也很像恆星,而且也有很大的紅移,但是沒有射電輻射,被稱為射電寧靜類星體

命名

1965年 A.Sandage 發現許多類星體,它們的光學性質和類星電波源相同;都有緊密的結構,極亮的表面及藍的顏色;但它們卻沒有輻射無線電波(或是太弱了,而沒被測到),因此我們可將它們分為兩類:

類星電波源QSR's:能用光學及電波段測出,這類比較少,佔目前類星體總數的1/20。

類星體QSO's(或稱電波寧靜類星體):電波較弱,隻能以光學測出。

今日,我們相信它們代表的是同一種天體,隻不過有的電波輻射強度不同;科學家相信,具有強烈電波輻射的類星體可能是類星體“一生”中處于短暫的“發高燒”階段的產物。因此,稱之為類星電波源(quasars)或類星體(quasistellar objects)都可以;有必要時,再註意它有沒有輻射電波即可。

目前,在可見光及電波波段的天空搜尋中,數千個類星體已被發現;例如 M.P. Veron-Cetty 及 P.Veron(1989)作的星表目錄中有4,170個類星體,A.Hewit t和 G.Burbidge(1987)所出星表中3,570個附有紅移資料的類星體。

特點特色

類星體的顯著特點是具有很大的紅移,表示它正以飛快的速度在向我們遠離。類星體離我們很遠,大約在100億光年以外,可能是目前所發現最遙遠的天體,天文學家能看到類星體,是因為它們以光、無線電波或x射線的形式發射出巨大的能量。

類星體是宇宙中最明亮的天體,它比正常星系亮1000倍。對能量如此大的物體,類星體卻不可思議地小。與直徑大約為10萬光年的星系相比,類星體的直徑大約為1 光天(light-day)。一般天文學家相信有可能是物質被牽引到星系中心的超大質量黑洞中,因而釋放大量能量(噴發激烈射線)所致。這些遙遠的類星體被認為是在早期星系尚未演化至較穩定的階段時,當物質被導入主星系中心的黑洞增添“燃料”而被“點亮”。

由于類星體是一個難解的天體,它奇特的現象如紅移之謎,它的能量來自哪裏?它在挑戰人類的既有物理觀念,它的解決,可能使我們對自然規律的認識向前跨一大步。

從1960年起,人們對劍橋第三電波星表中(3C)一些不知意義、模糊的無線電波源,陸陸續續有下列的發現:

它們的光學體很小(光學直徑<1"),和恆星很難區別:

從帕羅馬天文台5m望遠鏡所拍照片中顯示,它和恆星一樣,都隻是一個光點。它們有極亮(非比尋常的亮)的表面:

類星體

可見光及無線電波波段都此特徵。

它們的光譜是連續光譜及強烈的發射譜線:

在1962/63年,由 M.Schmidt 測出這和那些已知的電波星系光譜相同。

事實上,測得的類星體的光譜主要有三部分:

由同步輻射造成的非熱性連續光譜;

吸積作用造成極明亮的發射譜線;

星際介質造成的吸收譜線。

它們的光譜呈現巨大的紅位移量(位移指數Z=△λ/λ)。

因此由哈勃定律推論,它們是極遠的藍色星系,可見光絕對亮度超過一般正常星系的100倍,而電波強度和CygA星系相當。

到此階段的探查,我們將之冠上類星體Quasar之名(或謂類星電波源 Quasistellar Radio Source)。

相關研究

目前所知最遠的類星體,約150億光年。2001年,美國宇航局(NASA)的科學家們發現了由18個類星體組成的類星體星系,這是發現的規模最大的類星體星系,距離我們65億光年。[2]

2003年,以色列特拉維夫大學和美國哈佛大學的科學家在1月23日出版的《自然》(Nature)雜志上宣布發現了類星體周圍存在暗物質暈的證據。[2]

2006年,歐洲科學家稱發現神秘罕見的“孤兒”類星體。

2007年,科學家首次發現十分罕見的類星體三胞胎。

2008年,科學家發現罕見的可以製造X射線的類星體。

2011年科學家用哈勃望遠鏡揭開了一個神秘天體的面紗。2007年,一位德國生物老師在夜空中發現神秘綠色天體,距地球約6.5億光年,被稱為漢妮天體。原來這是個已經死亡的類星體。

漢妮天體(Hanny’s Voorwerp,Voorwerp是荷蘭語中“物體”的意思),可以說是宇宙中最神秘的天體之一。但如今,1月10日美國天文學會第217次會議上公開的哈勃太空望遠鏡拍攝到的精細照片和X光觀測資料,終于揭開了漢妮天體的神秘面紗。

由許多地面和太空望遠鏡拍攝到的原始圖像表明,漢妮天體是一團巨大的炙熱氣體。天文學家推測,漢妮天體所發出的光,來自于一個名為IC2497的相鄰星系的輻射。

科學家認為,IC2497的核心裏有一個巨大的黑洞,曾經吞噬掉了各種氣體和星體,並釋放出兩股相反的炙熱氣體和高能輻射。這種活躍的星系也被稱為類星體。當類星體發出的輻射擊中氣體雲時,就會激發氧原子,使氣體雲發出綠色的光芒。

美國耶魯大學的天文學家Kevin Schawinski在進行了X光觀測之後發現,這個類星體已經不再活躍了,這可能是因為它中央的黑洞已經沒有“食物”可吃了。但科學家們相信,這個類星體是最近才死亡的,因為漢妮天體還仍然在發光。

鑒于IC2497的光需要幾萬年才能抵達漢妮天體,因此天文學家推測類星體應該是在不到20萬年前熄滅的。這也意味著,它熄滅的速度要比科學家想象的快得多。

2010年4月由哈勃望遠鏡觀測到的最新圖像也證實了死亡類星體的假說。值得一提的是,那次觀測發現了漢妮天體裏有一些年輕的恆星群,它們中的有些年齡不會超過100萬歲。

在類星體的星系模型中,能量可能來自于恆星間的碰撞。星系核心裏恆星密度極高,經常發生碰撞,從而釋放能量。而且恆星在碰撞中會粘合在一起成為越來越大的恆星,大質量恆星迅速演化為超新星,然後爆發,釋放高能電子。這一模式的缺點在于,如果要恆星發生如此密集的碰撞,則類星體內部恆星數密度,應當高達人們附近空間裏恆星數密度的1萬億倍。還有理論認為,類星體是質量約為太陽1億倍的大質量恆星,它的光度可能達到人們觀測到的類星體的光度。但這種大質量恆星釋放出的輻射應當具有熱輻射的性質,而不是像類星體那樣放出非熱輻射;此外,這樣大質量的恆星也很不穩定。其它有代表性的理論包括:

中子星

有一個與強磁場相連的、迅速自轉的超大的核。這種星體比較穩定,光度也很高。同時,由于自轉,磁力線不時地會扭結,產生能量爆發,這可以用來解釋類星體的光變。但這種模式裏的光變應該是周期性的,而觀測到的類星體光變並不具備周期性。

黑洞

黑洞的巨大引力具有一個臨界區域,進入這一區域後,包括光在內的一切物質都無法逃逸。而在這個區域之外,黑洞引力雖大,但並非所有物質都無法逃脫。氣體、塵埃和恆星在高速旋轉著被吸進黑洞時,在運動中產生的強烈輻射會掙脫黑洞引力而向周圍擴散,這些輻射包括可見光、紅外線、紫外線及其它射線。

英國天文學家A·費邊教授1999年還提出,對目前觀測到的宇宙背景輻射資料進行分析可以發現,這些射線的來源無法完全用恆星或普通亮度的類星體等天體來解釋。他認為,宇宙中可能還存在著大量沒有發現的暗類星體,這些類星體中包含黑洞,這些黑洞可能是宇宙中各類輻射的重要來源。由于利用現有手段難以被觀測到,這些黑洞周圍所產生的巨大能量遠遠沒有得到充分認識。[1]

在暗類星體中,黑洞吞噬物質產生能量的機製與亮類星體是一樣的,但產生的可見光和紫外線在嘗試從黑洞區域逃逸時,會被暗類星體中的塵埃和氣體等吸收,被吸收的輻射會再以遠紅外線的形式重新發散。這部分遠紅外線和來自黑洞區域的其它射線具有穿透氣體和塵埃的能力。目前的射線觀測設備無法探測到上述來自黑洞區域的射線,而現有的遠紅外望遠鏡也無法發現在黑洞周圍重新發散出的遠紅外線。美國宇航局的錢德拉射線望遠鏡、歐洲航天局的多鏡頭射線天文衛星(MM衛星)等新型觀測設備,有可能探測到這些射線。

湮滅

反物質概念是英國物理學家保羅·狄拉克最早提出的。他在30年代預言,每一種粒子都應該有一個與之相對的反粒子,例如反電子,其質量與電子完全相同,而攜帶的電荷正好相反。根據大霹靂理論,宇宙誕生之初,應產生了等量的物質與反物質。可能由于某種原因,大部分反物質都轉化為了物質,或者難于被觀測到,導致在人們看來這個世界主要由物質組成。據認為,類星體產生于宇宙誕生早期,其內部還存在著一些反物質。物質與反物質之間劇烈湮滅,釋放出巨大能量。物理學家已經發現了少量的反電子等粒子,但並未發現復雜反物質存在的確鑿證據。因而上述說法看起來根基不牢。

類星體

反面的“白洞”

與黑洞類似,白洞也有一個封閉的邊界,聚集在白洞內部的物質,隻可經邊界向外運動,而不能反向運動。因此白洞可以向外部區域提供物質和能量,而不能吸收外部區域的任何物質和輻射。當白洞中心附近所聚集的超密態物質向外噴射時,就會與周圍的物質發生猛烈碰撞,從而釋放出巨大能量,這有可能就是類星體能量的來源。與反物質一樣,白洞也隻是一種理論模型,尚未被觀測所證實,因而此說法也不具備說服力。

類星體

巨大紅移之謎

根據同步電子輻射原理推論出,類星體中黑洞質量--108M⊙,所有輻射能(光度)--1039

W≒1013L引力透鏡與類星體⊙。根據相對論E=m·c2推算其壽命約108年。推算出如此巨大能量之

結果,使得一些天文學家質疑:決定距離的基礎是否為哈勃紅移關系?

一般認為紅移所代表的可能性有三種:

類星體

哈勃紅移

越遠的星系紅移效應越大;類星體是目前所發現的最遠的星系,它可能代表宇宙的邊緣或最早的宇宙。

引力紅移

就是從遠離強引力場的地方觀測,譜線會向長波的方向移動;但需要的

引力場極大(約一億個太陽質量的黑洞),且造成的譜型與類星體的不符。

局部紅移

認為可能是某些星系高速噴出物質所造成之局部現象(與上述視線之超光速原理相同);支持的證據是,很多星系及類星體常成雙或成群出現,而它們之間的紅移值截然不同。反對的說法是,也有不少成群協同的類星體、星團和它們的母星系有相同的紅移量。

其中以支持哈勃紅移理論的證據最為有力。

尋找紅移與星系相近的低紅移類星體:

以z≦0.5為範圍,果然找到很多與橢圓或漩渦星系有關而紅移相近的類星體;而高紅移星系實在太暗,難以測出,不適用此法。

雙胞胎類星體的證據:

1979年 D.Walsh,R.F.Carswell 和 R.J.Weymann 吃驚的發現類星體不但距離極近(5.7"),星等同樣是17等,z值同為1.41, 甚至完全相同的光譜。令人懷疑他們根本是同一天體,隻是被重力透鏡影響光線偏折而呈二重像。後來果然在類星體B旁發現一模糊的雲霧,測量結果發現它是造成此光學二重像效應z=0.39 的中介星系(介于地球與此類星體之間)。此發現意義極重大,不但印證了愛因斯坦廣義相對論中重力透鏡的預測,而且證明紅移大(z=1.41)之類星體在紅移小(z=0.39)星系之後,更支持了哈勃紅移的理論。

重力透鏡造成的光變:

當中介星系轉動時,由于重力的作用,使其後方類星體的光度發生變化;理論上可從觀測到的類星體光變時間及影像空間角度,去推算類星體距離,再去印證哈勃紅移所推算之距離是否正確。可惜,在類星體與地球之間常有無數物質,造成引力的多重影響,而不易以此法測出,有待將來進一步的改良觀測技術。

吸收線的支持:

類星體中吸收譜線所測得的Zabs與發射譜線的z值不同,一般是Zabs≦Z;如果發射線z值是代表類星體的位置(距離),則其吸收線之Zabs則是類星體和地球之間許多的星際間物質吸收所造成(如圖一中Lα森林區,就是Lα線被不同距離物質吸收,所呈多重紅移之結果)。當(Z-Zabs)/Z≧0.01,代表是類星體和地球之間許多星系外部的洞區所造成。

此外,在高紅移類星體吸收線中找到低紅移星系(及類星體)之吸收線系統,而在低紅移星系吸收線中找不到高紅移類星體之吸收線,這可說明高紅移星體的確是在低紅移星系(類星體)的後面。

另外,一種很像類星體的怪東西,在1929年被發現並定名為BL蠍虎座天體;它的特征就是幾乎沒有特征。光度變化不規則,隻有連續光譜,測不到它的譜線(可能太弱了)。因此,它的距離也很難定出。它那屬于非熱性之連續光譜在可見光部份比類星體陡。已發現100個左右。

到底類星體是個什麽樣的天體呢 ?它的外型像恆星,光譜像塞佛特星系,電波性質像電波星系……?當前認定是,它是宇宙在大霹靂後,最先形成的“星系”前身。但無疑的,它是一種非常活躍的天體;如果宇宙紅移理論確實是對的,那類星體對于宇宙將扮演極重大的角色;它代表的是最遠,最古老的宇宙。因此能從側面映整個宇宙的演化。也由于它高度的亮及神秘的吸收線,更是研究宇宙中介物質(介于地球和宇宙邊緣之間)的最佳利器。

星體相關

類星體在類星體發現後的二十餘年時間裏,人們眾說紛紜,陸續提出了各種模型,嘗試解釋類星體的能源疑難。比較有代表性的有以下幾種:

黑洞假說

類星體的中心是一個巨大的黑洞,它不斷地吞噬周圍的物質,並且輻射出能量。

白洞假說

與黑洞一樣,白洞同樣是廣義相對論預言的一類天體。與黑洞不斷吞噬物質相反,白洞源源不斷的輻射出能量和物質。

反物質假說

認為類星體的能量來源于宇宙中的正反物質的湮滅。

沖星假說

認為類星體是巨型的脈沖星,磁力線的扭結造成能量的噴發。

近距離

認為類星體並非處于遙遠的宇宙邊緣,而是在銀河系邊緣高速向外運動的天體,其巨大的紅移是由和地球相對運動的多普勒效應引起的。

​連環爆炸假說

認為在起初宇宙的恆星都是些大質量的短壽類型,所以超新星現象很常見,而在星系核部的恆星密度極大,所以在極小的空間內經常性地有超新星爆炸。

恆星碰撞爆炸

認為起初宇宙較小時代,星系核的密度極大,所以常發生恆星碰撞爆炸。

與星系的關系

類星體的絕對星等Mv在-25-- -33等之間(由哈勃常數Ho=50km/s·Mpc推算),這可推論出其光度在1012--1014L⊙之間(約4*1038--1041W),這代表類星體是宇宙最亮的天體;它們是遙遠活躍星系的極亮核及塞佛特星系、N星系及電波星系強烈活動的延續。這些的星系的輪廓隻有在最近的類星體3C273的光學影像中被辨認出,呈現模糊、擴張、雲霧狀的斑點;通常星系被比它亮很多的核的光芒所掩過,而呈現類星體的現象。隻有到最近,以極靈敏的CCD偵測器及現代影像擴大技術,這才比較有可能測出那些z≦0.5的類星體及和它有關的星系(因z值越小之類星體距離越近,與其有關之母星系才不至于太暗)。減去類星體光度後的星系絕對星等在-21-- -23等之間,是直徑40--150kpc的橢圓星系或漩渦星系。觀測結果認為有強電波輻射的類星體可能屬于橢圓星系,而無電波類星體則屬于漩渦星系。

此外,在某些類星體中,其分立的子電波源間出現分離的相對速度居然快過光速的超光速運動現象!例如3C273;由巨大天線陣(VLA)從1977年到1980年,以波長2.8cm的無線電波波段觀測結果顯示,其分立兩子電波源間分離速度高達11倍光速。

雖然,光速是物體運動速度的極限也是能量傳遞速度的極限;但這種看似不可思議的超光速現象,在視覺上卻有可能造成超光速的現象。例如,在夜晚將探照燈射向高空,由于雲層的反射,天空會出現亮點;當地面的探照燈緩慢轉動時,在高空的亮點卻以極快的速度在移動。如果這雲層夠高,亮點的速度甚至可以超過光速。以這模型來解釋上述類星體中的現象,認為是由類星體中心母體噴出兩股相反方向的粒子流(相當于探照燈的光),它照在星際介質上(相當于高空的雲),從而激起電波輻射(相當于亮點);因此,隻要中心母體有小小的擺動,粒子流照射所激起的輻射區就會迅速的移動;如此看來,這兩輻射區相離速度超過光速就大有可能了。

最新解釋

類星體是一種光度極高、距離極遠的奇異天體。

越來越多的證據顯示,類星體實際是一類活動星系核(AGN)。而普遍認可的一種活動星系核模型認為,在星系的核心位置有一個超大質量黑洞,

類星體

在黑洞的強大引力作用下,附近的塵埃、氣體以及一部分恆星物質圍繞在黑洞周圍,形成了一個高速旋轉的巨大的吸積盤。在吸積盤內側靠近黑洞視界的地方,物質掉入黑洞裏,伴隨著巨大的能量輻射,形成了物質噴流。而強大的磁場又約束著這些物質噴流,使它們隻能夠沿著磁軸的方向,通常是與吸積盤平面相垂直的方向高速噴出。如果這些噴流剛好對著觀察者,就能觀測到類星體。

宇宙間的-切物質都在運動中。遙遠的星系也在運動著,它們都在遠離我們而去。例如,室女座星系團正以大約每秒1210公裏的速度離開我們,後發座星系團約以每秒6700公裏的速度離開我們,武仙座星系團約以每秒l0300公裏的速度飛奔而去,而北冕座星系團離開我們的速度更大,大約每秒21600公裏。星系為什麽要離開我們?我們又是怎麽知道它們在運動呢?

在生活中我們都有這樣的經驗:在火車站站台上,一列火車呼嘯著向我們奔來,汽笛的聲調越來越高,當火車離開我們時,汽笛的聲調逐漸降低。這是什麽道理呢?1842年,著名的奧地利物理學家多普勒首先闡述了造成這種現象的原因。他指出:聲源相對于觀測者在運動時,觀測者所聽到的聲音會發生變化。當聲源離觀測者而去時,聲波的波長增加,音調變得低沉,當聲源接近觀測者時,聲波的波長減小,音調就變高。音調的變化同聲源與觀測者間的相對速度和聲速的比值有關。這一比值越大,改變就越顯著,後人把它稱為“多普勒效應”。

多普勒效應不僅適用于聲波,而且也適用于光波。一個高速運動的光源發出的光到達我們眼睛時,其波長和頻率也發生了變化,也就是說它的顏色會有所改變。雖然天文學家可以利用這一原理測量天體的運動,但是在一般情況下,天體相對于觀測者的運動速度與光速相比是微不足道的,因此光源顏色的變化很難測定。

星系是巨大的恆星集團,但由于它們離我們非常遙遠,每個星系往往隻能在大望遠鏡拍攝的底片上看到一個微弱的光點。第一個觀測和測定星系光譜的天文學家是美國洛韋爾天文台的斯裏弗。l912-1925年,他拍攝了40個星系的光譜照片,除了兩個星系外,其餘都呈現波長偏長的多普勒頻移,即向光譜的紅端位移,所測得的離去速度高得驚人,最高達5700公裏/秒。

對星系視向速度的研究繼續進行著。天文學家發現,星系的譜線位移和恆星的譜線位移很不一樣。首先,恆星的譜線位移有紅移也有紫移,這反映恆星有的在遠離我們,有的在接近我們,而星系的譜線位移絕大多數是紅移,紫移的極少。其次,恆星的譜線位移不論是紅移還是紫移,一般在每秒數十公裏左右,最大的不超過每秒二三百公裏,而星系的譜線紅移每秒1000公裏以下的隻佔少數,多數是每秒2000~3000公裏,有的甚至達到每秒1萬公裏。

1929年,美國天文學家哈勃發現,在宇宙空間不僅幾乎所有的星系都具有譜線紅移現象,而且還存在著星系的紅移量與該星系的距離成正比的關系,也就是說,越遠的星系正在以越快的速度飛馳而去,這被稱為哈勃定律。

有了哈勃定律,天文學家通過觀測星系的譜線紅移量,求出星系的視向速度,進而得出它們的距離。例如,一個以1700公裏/秒的速度遠離我們而去的星系,其距離約1億光年;一個以17000公裏/秒的速度遠離我們而去的星系,其距離約10億光年。目前已觀測到的最遠星系,正以與光速相差無幾的速度遠離我們而去,其距離達100多億光年。為什麽星系都在離我們而去呢?

紅移的本質是什麽?為什麽會存在哈勃定律?這些問題已經爭論了半個多世紀了,但一直未能得到圓滿的解釋,因而成了天文學裏的老大難問題。

在哈勃定律發表前兩年,比利時天文學家勒梅特就提出了宇宙膨脹的概念。1930年,英國天文學家愛丁頓把勒梅特的模型和哈勃定律聯系起來,稱宇宙為膨脹的宇宙。1932年勒梅特進一步提出現在觀測到的宇宙是一個巨大的原始火球爆炸而形成的·到了40年代末,在發現了太陽的巨大能源來自熱核反應後,美國物理學家伽英夫把宇宙膨脹論和基本粒子的運動聯系起來,提出了熱大霹靂宇宙學。他認為宇宙起源于高溫、高密度的,“原始火球”的一次大霹靂。在熱大霹靂模型提出後的一段時間內,很少有人關心它。直到1965年,美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯和威爾遜發現了3K微波背景輻射(也稱宇宙背景輻射)後,才使大霹靂學說一躍成為最有影響的學說.隨著其他研究者的後繼測量,宇宙背景輻射已成為大霹靂模型有效性的有力見證,成為考慮宇宙中大足度流動的有用的“絕對架構”,還因其表現的各向同性,成為發表星系形成理論的重要約束。

天文學家認為,所謂宇宙大霹靂,並不能想象為高密度高能量的宇宙物質在爆炸後,高速沖向早已存在的空虛的空間之中,如果這樣,原爆炸中心將會留下一個逐漸增大的空洞。同時,爆炸時輻射比物質走得快,結果爆炸時發出的所有輻射就會與物質分離。實際上這兩種現象都不存在,因此宇宙大霹靂必須想象為空間本身自大霹靂開始以光速膨脹。

大霹靂學說比較自然地說明了許多觀測現象,而且理論和觀測結果比較好地相符。但是也遇到了一些問題,其中最突出的是“原始火球”是從哪裏來的?有的天文學家認為:起初宇宙是極其稀薄的氣體,由于萬有引力的作用,逐漸收縮成一團超密物質。然後再爆炸,經過膨脹階段,而重新歸于稀薄,稀薄得簡直和絕對真空相差無兒。我們恰巧生活在宇宙比較飽滿的這個非常短暫的時期中。自然,以後還可以再收縮,再爆炸,再膨脹。1965年,美國天文學家桑得奇甚至估計這種“脈動宇宙”每振蕩一次大約需要800多億年。這種理論是現實,還是“神話”,目前還不能輕易下結論。

另外一些天文學家,他們不認為星系譜線紅移是由它們的退行速度引起的,因此也就不存在宇宙膨脹的問題。然而,要在多普勒效應之外,再找出紅移的另一種解釋,實在太困難了,至少從目前看來是這樣。

有一種解釋認為:,發出光譜的天體因本身的物理狀態不同而產生紅移。例如由于星系那裏引力特別大,因此發出的光譜中紅移特別大,這叫做引力紅移。引力紅移是廣義相對論的預言之一。根據廣義相對論,當一個觀察者從遠離引力場的地方,觀測處在引力場中的輻射源發射出來的光的時候,譜線會向長波方向移動,移動量與輻射源和觀測者兩處引力勢差的大小成正比。這種效應最初是在白矮星中得到證實的。但根據引力理論計算的結果來看,引力對紅移的影響很小,不足以說明觀測到的星系紅移現象。

另一種解釋則認為光線與傳播途中物質相互作用產生紅移。光線由星系發出之後,要經過若幹萬光年才能到達地球,光在長途傳播中要穿透許多星系際介質區域,光和介質發生了某種相互作用,使光譜產生紅移。星系越遠,途中遇到.的介質就越多,因而紅移也就越大,但光與介質相遇如何相互作用而產生紅移,還沒有令人滿意的解釋。

還有一種解釋是光線本身變化而產生紅移。光線在幾千萬年的傳播之中,光子發生了老化,波長變長而出現了紅移,由此推斷越遠的星系光線走得越久,所以看到的紅移也越大。這一假說沒有得到實驗的證實。

正當星系紅移問題鬧得不可開交的時候,60年代又出現了類星體的紅移現象,使問題變得越發復雜了。根據對類星體物理性質的研究。可以肯定,類星體是河外天體。屬于星系這一層次。既然如此.它們的紅移是不是也像正常星系那樣可以解釋為退行並滿足哈勃定律呢?要直接驗證這一點是困難的,因為至今還沒法求出類星體的距離。對類星體進行統計,結果發現在紅移-視星等圖上,它們的分布毫無規律,這到底是什麽原因呢?

大多數天文學家堅持認為:類星體的紅移是宇宙紅移,即紅移反映了退行,而且紅移和距離之間存在著哈勃關系。證據是類星體的物理性質與某些活動星系很類似,而活動星系已被證明是滿足哈勃定律的。另外,已發現幾個類星體分別很靠近某個基系團或就在星系團內,而且類星體與星系團的紅移近似相等。還發現某些類星體很靠近一些星系,而類星體和星系的紅移也大致相同。他們認為,類星體在紅移-視星等圖上之所以彌散,是由于類基體的絕對星等彌散太大,而不是因為哈勃定律不成立。

少數天文學家認為類星體紅移不是宇宙學的。對某些類星體和亮星系進行抽樣統計研究,發現有些互相成協(即聯在一起)的星系或成協的星系和類星體彼此之間的紅移量完全不同或相差很大。另外發現有些類星體的光譜中,其吸收線的紅移量與發射線的紅移量互不相同,而且不同的吸收線還有各不相同的紅移量,即多重紅移。而成協天體的不同紅移和同一天體的多重紅移,都是用多普勒效應無法解釋的,必須尋找新的紅移機製。已提出的除了上面講到的引力紅移、光子老化、物理常數變化等紅移機製外,還有一種所謂的“橫向多普勒效應”。類星體的巨大紅移可能說明它的橫向速度很大。

上述這些觀點,有的僅僅是假說,有的雖有理論根據,但並不能很好地解釋類星體的紅移.持非宇宙學紅移觀點的人認為,類星體的紅移是對現代物理學的挑戰。

對星系普遍存在的譜線紅移的觀測和研究.有力地推動了以整個可觀測宇宙的結構、起源和演化為課題的現代宇宙學的迅速發展。星系紅移的真相一旦被揭開,人類對宇宙的認識必將有一個更大的飛躍。

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4星體齊聚

台北時間2015年5月26日訊息,據國外媒體報道,借助位于夏威夷的凱克天文台,馬克斯·普朗克天文研究所的天文學家于近日第一次發現了4個類星體齊聚的場景,這4個活躍的黑洞彼此距離非常接近。該研究團隊由天文學家約瑟·漢納威(Joseph Hennawi)領導。據介紹,這4個類星體位于遙遠宇宙空間的一個超大質量結構中,環繞其周圍的是一個巨大的由冷卻密集氣體組成的星雲。由于這種現象出現的概率隻有千萬分之一,宇宙學家或許需要重新考慮類星體演化的模型,以及超大質量結構如何形成的問題。有關的研究結果發表在2015年5月15日的《科學》(Science)雜志上。

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