惊人的类星体
20世纪50年代到60年代,射电天文学都在向人类展示着它非同寻常的力量,射电星系的出现让人惊喜振奋,但是,一直到60年代初,射电天文学仍然限于向天文学家提供一些已知天体的知识,这种情况直到1963年类星体的发现,才发生了巨大的变化。类星体的发现,标志着射电天文学真正进入了成年时代,因为类星体是一类完全未知的天体,在已知的天体射电源中约有25%是类星体,对类星体的研究已经在天文学和宇宙学中引起了一场革命。
类星体之迷
也许与自然科学的同行相比,天文学家应该更习惯面对突如其来的意外事件,可以说,他们是经常和“出乎意料”打交道的人,茫茫星空,广袤无垠,种种天体,多种多样,以观测发现、分析研究星空为本职的天文学家,不断地发现出新的天体、新的现象。他们无时无刻不在期待着这些“出乎意料”的事,脉冲星和土星环的发现就是很好的例子。但是,1963年马丁·施米特和他在帕洛玛山天文台的同事们发现的类星体,却引起了整个天文学界的震动,这是因为当时不仅无人预见到类星体的存在,就是找到它们之后很久,人们仍然认为它们是不可思议的。
1960年,在美国天文学会的重要会议上,艾伦·桑德奇报道了强射电源3C48的光学认证结果,它的光学对应天体是三角座中一颗相当暗的恒星,另外,在3C48源附近仿佛还能看到一块云状外壳。桑德奇还说,他观测了源的光谱,发现和曾经见到过的光谱都不一样。此后两年,又发现了几个同类型的天体,它们的光谱都很特别,彼此也不一样,很难理解和解释。但这些并未引起多数天文学家的特别重视,比较多的人认为它们或许是超新星遗迹,也可能是遥远的星系,因为有些特别,值得再研究研究。没有引起注意的另一个重要原因是早期射电天文的分辨率较差,射电源位置不精确,光学认证不大靠得住。
准确的观测事实是一切分析研究的根据。为了研究那些光谱很特别的射电源的光学对应天体,需要精确地确定天体的位置,确切地认证出和射电源对应的光学天体。幸运的是,在这一类天体中有一个名叫3C273的源能够满足这些要求。
3C273是一个射电源,它的光学对应天体较亮,几年前已经观测到,并被列为一颗普通的恒星,问题就在于对两者关联的精确认证。而要肯定只有一个光学天体是该射电源的对应天体,需要作精确的射电源位置测量。当时,这种测量是通过“月掩”的技术来完成的,所谓“月掩”,简单地说就是月球从任何天体前面通过时,对该天体所形成的“食”。由于月球很小,又只在天空的一个条带环绕运行,所以能被它掩食的天体并不很多。3C273刚好处在能被月球“掩食”的位置上。当月球遮住3C273时,地球上接收到的射电信号便被切断,当月球越过它时,月掩结束,又可重新收到射电信号,根据信号消失和重现的时刻和月亮运行的轨道,天文学家就能精确测定射电源的位置,定位精确度在1角秒以内。
当然,实际情况并不都那么顺利,虽然当时焦德雷尔班克的大射电望远镜已投入工作,但由于只有在澳大利亚才能观测到这次3C273的“月掩”,所以只好用当时第二位的射电望远镜——在新南威尔士的64米望远镜来观测。还由于“月掩”时,源离地平线的高度太低,不得不匆忙地改动望远镜,拆除部分机械装置,锉平齿轮的锯齿等等。经过一番紧张的忙碌,1962年底,英国天文学家哈泽德等终于完成了这一观测。结论是:3C273是一对射电源,其中之一与一个暗弱的发蓝的恒星状天体对应,另一个仿佛由它喷出。
在精确认证的基础上,年轻的荷兰天文学家马丁·施米特用帕洛玛山天文台的5米望远镜拍摄了3C273光学对应天体的光谱。但是,当施米特分析光谱时,和其他人一样,他同样被迷惑了几个星期,不知道是什么谱线,经过反复地琢磨、推测,有一天,他忽然感到这些光谱线的相对排列顺序与最简单的氢原子光谱的几条谱线很相似,不同的只是整个光谱都向红端移动了一大截。就这样,施米特解决了人们困惑数年之久的难题,3C273以及其他类星体的光谱线其实就是最普通的氢原子光谱的巴耳末线及电离氧双线等常见谱线。惊人之处是红移很大,对于3C273,红移达到0158之多,这是人们难以设想的、前所未有的巨大红移。后来,施米特回忆说:“回家的时候我还是不能相信自己,我对妻子说:‘一件实在难以相信的事情今天落在了我头上。’”
3C273光学谱线的识别解除了多年的困惑。但却又带来了更多更大的问题。红移达到0158之巨,这意味着什么呢?1929年哈勃指出,星系的红移与其距离成正比,当时发现的最大红移的天体是河外星系。然而,3C273的红移更大,按哈勃定律推算,它应距离我们10亿秒差距之远,距离这么远,即使最亮的星系的亮度也只相当于18等或19等的天体,但是3C273的亮度却竟然达到1286等,这表明它比最亮的星系还要亮300倍以上。另一方面,一个普通的星系,如果在这么远的距离,它的角直径应有5弧秒左右,在照相底片上是模糊的一片光斑,但3C273在深度曝光后,在照相底片上仍然像一个恒星,角直径小于1弧秒。把这些结论综合起来,3C273便成了一个惊人的怪物,它比整个星系小得多,却又比星系亮得多,这种天体在当时是完全未知的陌生天体。
3C273的特殊性质,很快引起了天文学家的关注和兴趣,利用各种探测手段对它进行了广泛细致的观测。3C273的射电辐射不仅在认证时起了重要的作用,后来还一再地作过详尽的研究。射电辐射的突出特点是,射电源的核与光学天体对应,核外有3弧秒大小的晕,射电核中约05弧秒的直径内发出约一半的能量,另一半能量由其余部分发出。
因此,和光学观测的结果相类似,射电源的尺度比较小,而能量却极为巨大,这使3C273成为难以解释的谜,它的另一个突出的特点是射电源的一部分与一个光学喷射体相重合。
这个狭长的光学喷射体可以通过照相拍摄,位于光学天体的西南方,从距离光学天体11弧秒处向外延伸约10弧秒,宽度约为1~2弧秒。3C273的这个特征与射电源室女座A相似,成为后来出现的喷流假说的一个观测依据,甚长基线射电干涉仪还发现它的射电源的核本身有两部分,相互以很高的速度分离而去,如果按照上面所确定的距离来推算,那么,相互分离的速度是超光速的,与塞佛特星系3C120相似。
红外与X射线探测表明,3C273又是强的红外源和强的X射线源。它的X射线的功率比可见光要大10倍。
应该强调指出,3C273并不是具有这些奇特特点的唯一天体,当施米特把他的新发现告诉格林斯坦时,后者马上分析了3C48的光谱,结果发现了3C48的红移更大,达到0367,到1963年12月为止,已经发现九个这样的天体,都已经得到认证,它们的红移都不小。
类星体红移
20世纪60年代,一种崭新的未知星体出现了,它在光学上像恒星,但又比恒星亮,它的光谱还有巨大的红移,它又是射电源,尺度很小,能量极大。这些特点,使天文学家无法把它们归属到已知的各类天体之中。于是天文学家根据它的特点暂称之为“类星射电源”。因为这个英文名字太长,不方便,于是上海出生的美籍天文学家邱宏义把它缩写为Quasar,中文译名为类星体。