书城自然科学科学奥秘丛书——天文大事纪
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第4章 小熊星座(2)

也有可能我们寻找不同质量黑洞。比恒星质量小得多的小黑洞可能在宇宙开始时大爆炸的引力混沌中形成,大爆炸异乎寻常的力量把一些物质挤压得极其紧密,于是形成了“原生黑洞”。其典型尺度仅相当于一个基本粒子,质量与小行星相仿。20世纪70年代研究黑洞的一个引人注目的结果是小黑洞的蒸发理论。但目前尚未发现正在蒸发的小黑洞。质量比恒星大的黑洞也可能存在。星系和球状星团的中心部分恒星很密集,星体之间容易发生大规模的碰撞而产生超大质量天体的坍缩,形成质量超过太阳质量1亿倍的大黑洞。这些大黑洞可能为在巨大的星团中观测到的X射线源提供能量,它们也可能是给类星体供应能量的“发电站”。如果整个宇宙停止膨胀的话,结局就会是一个黑洞。

然而,黑洞是否存在以及它有哪些类型和特点,仍有待我们去证实与检验。黑洞就像其本身的特性一样,用它极其强大的引力吸引着我们去探测这一宇宙的杰作。

黑洞由于极其独有的性质,使科学家对它的发现和检测变得非常困难。面对巨大的挑战,科学家们充分发挥了他们的卓越才能和智慧。

解决问题的关键正是问题的性质本身。所有黑洞的周围环绕着强引力场,以至于黑洞视界内的任何辐射都不可能逃离黑洞。因此使我们不能直接探测到它们。然而也正因为这样,可以通过观测黑洞对周围事物的强引力作用而对它进行检测。虽然有一点是不幸的,我们永远不能直接观测到黑洞本身,而是间接发现和检测。但是我们终于摆脱了困境,找到了出路。

黑洞的一种可能检测方法涉及到光的引力偏转现象。光线通过一个强引力场时会发生弯曲。当光线在黑洞附近通过时,则由于环绕黑洞的强引力场引起时空有很大的曲率,这种效应将显著得多。当地球、黑洞和遥远的星体排在一条直线上时,地球上的观测者将看到遥远星体的两个像,分别在黑洞两侧。而这种借助黑洞扫曲遥远的背景恒星或星系的配置就像光线通过一个玻璃透镜一样,所以称之为引力透镜,当然这种方法本身就是很困难的。因为这要求地球、黑洞和背景星体三者必须极准确地排列成一条直线,而这种完美无缺的排列是极罕见的。

在研究黑洞这个问题上,观测黑洞对气体和尘埃的吸积现象比观测引力透镜更加奏效。因为掉进黑洞的气体可能会发出在远处可以检测的辐射。由于星际空间几乎是完全真空的,星际气体的原子彼此相距如此之远,以至一个孤立的黑洞不可能吞噬快到足以产生可以检测到的辐射。

我们应该在供应充分气体的附近去探测黑洞。而双星系统是理想的候选者。当一个双星系统中存在一个黑洞时,另一颗恒星风中的粒子经过黑洞附近时被俘获进入绕黑洞的轨道而形成吸积盘。当这些向内盘旋的气体越来越近黑洞时,它们被摩擦加热到越来越高的温度,恰在它们最终掉进黑洞之门前产生非常强烈的X射线。

由于地球大气对X射线的吸收完全阻碍了地面观测。在此天文学家必须在地球大气之外进行观测。于是在1970年12月12日,美国发射了一颗名为“乌呼鲁”意即“自由”的X射线天文卫星。“乌呼鲁”的上天使得对黑洞的检测得以实测。一年后便发现了一个最理想的黑洞候选者——天鹅座X—1双星系统。此后相继发射了一系列X射线检测卫星,例如“爱因斯坦天文后”等等。因而接连不断地得到越来越好的X射线图,从而对黑洞的检测工作进展迅速。

寻找快速X射线闪烁的捷径在于从天空里接连不断发现的许多X射线源中间找到黑洞的候选者。我们说不定会立刻发现黑洞比任何人想象的要多得多。

黑洞的神奇魅力,使对它的检测成为现代天体物理学的前沿,也是整个科学和人类认识观的前沿。

类星体

类星体的发现是在20世纪50年代后,它的发现使之成为最引人注目的天体之一。

然而类星体与恒星有着天壤之别。那么类星体的结构是怎样的呢?

经过对类星体的大量探测和研究,使我们对类星体有了基本的了解。首先,我们知道类星体(或至少是其内部的产生能量的区域)是很小的。这个事实是通过它们的快速高度变化推导出来的。其次,类星体是非常其明亮的。

这些是根据它们的巨大红移,它们位于离地球非常遥远的地方而推测出来的。这两个事实合在一起,使类星体成为迄今天空中所发现的最异乎寻常和捉摸不透的天体。天体物理学家面临着这样一个艰难的任务,试图去解释在仅仅比太阳系大几倍的体积内何以能产生相当于100个星系的能量输出?

科学家为了解决这一难题,经过艰苦的努力,在理论上构造出了类星体的一般的总体模型。

类星体中心是高速电子的源,一种未知的能源。外面有许多高速电子云。

这些小云生成了光学和射电的继候辐射,可能还产生了其他波段的连续辐射。外面的气体纤维在高能连续辐射的作用下电离,并把这种辐射转变为发射线光子,就是波长一定的一些光子。类星体的最外面可能是高速运动的云,当它们从朝着我们传播的辐射中俘获光子时,就产生了吸收线。

这就是我们在理论上所描述的类星体的基本模型。

我们似乎已经对类星体非常了解了。然而,可别忘了,我们还不知道类星体的能量是从哪里来的。对类星体的演化也一无所知。为了解决这些问题,现在已经提出几种互相竞争的理论。

一种观点认为类星体是与星系形成一种相关联的现象。在原星系收缩的过程中,早一代大质量恒星抛出的物质聚集在原星系的核心,在强烈而短暂的爆发性恒星形成中,可以达到相当的光度。类星体可能与此有相似的过程。

然而由于类星体含有正常含量的重元素。这相当于恒星已演化到一定的程度,而不可能处于演化的初期阶段,因此这一事实成为这一理论的困难。

另一种不同的观点认为类星体标示着星系演化进入最后阶段。在星系的中心区域恒星的密度非常高而恒星的分布倾向于把大质量的恒星和小质量恒星分开,前者落向中心区,开始相互碰撞。恒星间的碰撞是灾变事件,有可能导致超新星的爆发。在挤紧的稠密恒星系统中,高比率的恒星爆发就可以提供类星体的能源。

一种最新的类星体模型是:类星体是一个超重天体,是处于星系致密核心。是质量为太阳质量1亿倍以上的巨大黑洞。大质量的黑洞将把离黑洞过近的恒星弄碎。直至全部吞掉。当物质被吸积到黑洞中去时,它们变得非常炽热,由此产生的X射线辐射就可以满足类星体的能量需求。

在不同的类星体理论模型中,最吸引人的是大质量黑洞模型这个模型,可以想象,每个大星系的核心都可能埋藏着这样的黑洞。而且它也能很好地解释许多观测到的现象。

然而,类星体仍然是一个未解之谜,许多问题仍未揭晓。为了解答这些尖端问题,天体物理学家们还在继续他们的探索。

类星体是如此的表里不一——它是如此的小却又产生那么多的能量,以致于它成为对天文学家最大的挑战之一。因此,对这个宇宙中最遥远、也是最明亮的天体进行观测和研究,已经成为目前最重要的课题之一。

近来,在大尺度范围对类星体的巡天观测有了巨大的进展。首先,巡天技术的改进丰富了寻找类星体候选体的方法。目前主要的技术有:射电源选择方法、多色方法、无缝光谱方法、X射线源选择方法、弱变光天体选择方法等等。另外,近年来,许多国家如英、美、加拿大等国都采用了机器方法进行自动选取,主要运用于无缝光谱方法和多色方法。它的优点是可以大批量进行,同时减少了选择效应。