中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第7章

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　　惟一的结论可能是，它是真的辐射，而且充满天空。贝尔实验室的这两位科学家赋予这种辐射的特性温度在25度到45度开尔文温标之间。换句话说，它是一种从其温度刚在绝对零度（0K＝…273℃，可能的最低温度）以上几度的物体发出的辐射。尽管极冷，辐射量却很大。彭齐斯和威尔逊计算出，人站在户外每秒钟会有1000万亿个这种微波光子打在头上！

　　也是在1965年，普林斯敦大学的一个理论物理学家小组，恰好也在进行AT&T天线站所做的工作。罗伯特·迪克（RobertDicke）和詹姆斯·皮伯斯（JamesPeebles）领导的这个研究组，对大爆炸模型很感兴趣，已在考虑用实验证实或打倒这个理论。伽莫夫和大爆炸理论的其他创始者曾认为，宇宙创始时的炽热火球遗迹现今也能检测到。当宇宙极早期很小很密的时刻，温度极高，飞行的光子在电磁频谱的X射线和γ射线范围。从那时起，随着宇宙膨胀空间在扩张，就像我们作类比的气球表面那样。空间扩张的结果是使光子的波长被拉长。波长拉长意味着光子具有较小的能量和较低的温度。

　　迪克和皮伯斯听到了彭齐斯和威尔逊的有关发现后就立刻进行联系。他们根据计算结果作出预报，由大爆炸存留下来的辐射遗迹当前具有恰好在绝对零度以上几度的特性温度。两篇论文，一篇由迪克和皮伯斯撰写，另一篇由彭齐斯和威尔逊撰写，几乎立刻同时完成。发表在1965年同一期《天体物理杂志》上。该项发现的新闻还登载在《纽约时报》首页上。彭齐斯和威尔逊说，直到这时他们才认清了所作观测的重大意义！后来两人共同获得了1978年诺贝尔物理学奖。

　　微波背景辐射的发现，把两三个竞争中的宇宙模型之一的大爆炸模型推进到首要地位。原始火球的纤弱痕迹的存在，为大爆炸理论增加了很重的分量，是火球解决了宇宙空间氦元素过剩的问题，这是20世纪四五十年代天文学家首先搞清楚的问题。恒星的确在核心中通过核聚变过程由氢合成氦，但是还有过多的氦不能用这个机制解释。宇宙开始创生的时刻，温度和密度类似于当前恒星内部的条件。所以，氦也必定在炽热的早期宇宙中到处都能产生，共同产生的还有微量的次重元素锂和铍。这些种元素同宇宙中其他元素，自膨胀开始就播种着第一代恒星与星系。

　　于是，大爆炸理论成功地解释了（或者说预言了）现代宇宙学的三大主要基石——宇宙膨胀，轻元素比率和微波背景辐射。多年来的各种观测，包括1992年COBE（宇宙背景探测器）卫星对微波背景辐射的精确测量，使大爆炸理论的地位越来越巩固。种种观测表明，宇宙背景辐射严格依照着理论预言的频谱非常均匀地分布在整个天空。已知这种辐射现今的特性温度是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