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类星体发现55年 它带给人类什么惊喜?①

来源:光明网2019-10-14 16:06

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  1960年代,近代天文学开始起航,航队的旗舰,便是类星体。

  所谓近代天文学,是以四大发现为标志,即类星体、脉冲星、星际分子和宇宙背景辐射。1963年,美籍荷兰天文学家施密特(M.Schmidt)揭开了类星体的面纱,宇宙中一种崭新的天体被发现。屈指算来,整整五十年。换句话说,近代天文学已经走过了半个世纪的历程。

  偶然中的必然

  哲学中有一条逻辑,讨论偶然和必然,偶然往往是在必然之中。类星体的发现,再次证实了这一逻辑性的真理。

  人类憎恨战争,因为战争使生灵涂炭,但战争也可以促进生产力的发展,尤其是某些科学的发展。第二次世界大战期间,德国人疯狂之极,征服了几乎整个欧洲。唯一应该臣服而没有臣服的大国是英国,当希特勒忙于和苏联苦战之时,无时无刻不想除掉这个后院的心腹之患。鉴于一时无法用陆军征服,只能不停地进行空袭。但不久希特勒便发现,每次空袭,对方居然都事先有了防范。这令纳粹二号人物格林大为恼火,认为一定是内部出了叛徒。这件事一直到二战结束,仍然是个谜。美国著名战地记者夏勒(W.L.Shirer),曾目睹希特勒的上台、二战经过和纽伦堡对纳粹战犯的审判,在其名著《第三帝国的兴亡》一书中记述了这件事。

  事实上,侦破纳粹每次空袭的不是靠的间谍,而是英国的雷达技术。当时,英国的雷达技术已相当先进,海岸预警雷达随时能够监视敌机的到来。有一次,英国的预警雷达突然出现故障,英国军方十分紧张,以为德国造出了破坏雷达的新式武器。后来证实,破坏雷达的“敌人”是来自太阳的射电暴发。这一秘密直到战后才公布,为此有人建议将该事件的时间——1942年,定为太阳射电天文学的诞生年。

  战后,一批为军事服务的科学家转为搞射电天文,使英国的射电天文学在相当长一段时间内一直处于世界领先地位。其中,最著名的是赖尔(M.Ryle),他将单个的望远镜串联起来观测天体,使其能力成倍增加,被称为综合孔径技术。赖尔因此获1974年度的诺贝尔奖。是天文界最早的诺贝尔奖得奖人之一。

  英国剑桥大学开始利用射电望远镜进行巡天观测。所谓巡天观测,即寻找天空中发射射电波的天体。由于不知道这些天体是什么,所以把它们统称为“射电源”。被发现的第一个射电源是天鹅座A,它几乎是天空中最强的射电源,后来证实它是一个射电星系。到了1950年,剑桥大学发表了它的第一个射电源表(The first Cambridge Catalogue of Radio Sources,1C)。1C中共包含50个射电源。1955年发表了2C,共包含1936个射电源。欲速则不达,由于技术上的原因,这些源大部分都是伪源。1959年,经过重新鉴定,发表了3C。3C射电源表共包含471个源,这些源中实际上已经包含了类星体,当天文学家试图用光学望远镜去辨认这些射电源对应的天体究竟是什么时,类星体的发现已经成了必然。

类星体发现55年 它带给人类什么惊喜?①

  开创射电巡天观测的剑桥大学射电天文望远镜

  1960年美国帕洛玛山天文台的桑德奇(A. R. Sandage)首先在三角座找到了3C-48(3C表中的第48号源)的光学对应体。它看上去就像一颗普通的恒星,但它的光谱线很不正常,具有宽的发射线,而一般的恒星都是吸收线。另外,它的紫外波段的辐射也比普通恒星强很多,而且具有光变。

  另一次擦肩而过者是哈扎德(M。Hazard请提供全名),他用设在澳大利亚帕克斯(Parkes)的口径为64米的射电望远镜准确地测量了3C-273的位置。他用的方法非常巧妙,选择3C-273经过月球的机会,利用月球掩食恒星逐点对3C-273进行观测。结果发现,3C-273是一个射电双源,中间夹着一颗恒星,恒星的星等有13等。进一步观测发现和3C-48一样,也具有宽的发射线,这些发射线也无法证认。哈扎德的工作是1963年宣布的。

  幸运女神最终落到了施密特头上,施密特是哈扎德的同事,也在帕洛玛山天文台工作。他用该天文台的5米光学望远镜进一步观测3C-273,准确地测量了每一条发射线的位置。他在一次谈话中亲自告诉笔者,他花了6周时间去思索这些发射线究竟是什么,最终,他恍然大悟,原来这些线就是一些最普通的氢的巴尔末线和电离氧的谱线,只不过向红端方向位移了很多。

类星体发现55年 它带给人类什么惊喜?①

  施密特当年发表在《自然》周刊上关于发现类星体的论文,论文如此短小。

类星体发现55年 它带给人类什么惊喜?①

类星体发现55年 它带给人类什么惊喜?①

  3C-273的光学照片和光谱图。上图是3C-273本身的光谱,下图是用作波长定标的标准光谱

  天体光谱线的红移值Z定义为观测到的波长λ相对于地球上实验室波长λ0的位移比Z=(λ-λ0)/λ0,由于λ总是大于λ0,所以叫做红移。

  根据施密特的证认,得出3C-273的红移值Z=0.158。如此大的红移值,肯定是处在银河系之外的一种新的天体。1963年,施密特将他的工作发表在英国《自然》杂志上(Schmidt M. Nature, 1963,197: 1040)。从此,类星体正式被发现。

  幸运之神

  当人们谈及类星体的发现者时,总忘不了上面提到的桑德奇和哈扎德。但是,作为正式的发现者,只能是施密特。据说,桑德奇对此感到郁闷,他本人后来不再搞类星体,并且离开了帕洛玛山天文台的主管单位——加州理工学院天文系。他甚至公开宣布,拒绝再使用5米望远镜。

  为什么同样是有着丰富观测经验的桑德奇和哈扎德不进一步追问他们发现的新天体究竟是什么呢?原因是旧有的概念束缚了他们的思想。在当时,已经发现了天空中有一些强射电源,如天鹅座A和仙后座A。所有这些强射电源在天空中都有一定的大小,而且是处在银河系之内,因此把它们都称为“源”而不是“星”。另一个原因是红移大小的禁锢。3C-48和3C-273的光谱线都很简单,只是谱线的位置发生了红移。红移的概念在当时早已清清楚楚。但是,所有测出的河外星系的红移值都远小于0.1。人们想不到,还有红移大于0.1的河外天体。施密特的功劳恰恰是捅破了这层窗户纸。

  幸运之神有时也会开一个玩笑。1980年代初作者访问加州理工学院天文系时,曾遇到天文学家格林斯坦(J. L. Greenstein),他是研究恒星大气的权威之一。一次,他对笔者说“你知道类星体是谁最早发现的吗?”听他的话有些来头,笔者只好含糊其词地说:“不是施密特吗?”他很爽快地说“不,是我。我在研究白矮星时就发现了这种天体,认为是特殊的白矮星,等人家公布了才知道原来是类星体。”

  的确,在类星体正式发现之前三年,1960年格林斯坦和加州理工学院的另一位著名实测天体物理学家奥克(J.B.Oke)教授就发现了QSO Ton202。他们手头的观测资料太多了,根本没把这颗星当回事,更没有发表。直到1970年,他们才将自己的“过期发现”公布于众(Greenstein J L,Oke J B. Pub Astro Soc Pac,1970, 82:898)。

  类星体的命名还有一段有趣的过程。类星体发现之后,人们都从射电源上去寻找。这些射电源的对应体看上去和普通恒星一样,所以,起名为类星射电源。类星射电源有一个共同特点,它们紫外辐射很强,颜色看上去很蓝。根据这一特点,天文学家开展了用光学方法去寻找这类天体。不久发现,用光学方法找到的这类特殊天体,很大一部分没有射电辐射,或者射电辐射强度很弱。于是,人们把这类天体称作蓝星体。事实上,很多恒星的颜色也很蓝,例如白矮星,它们的光谱能量分布和类星体很相似,这就是为什么格林斯坦在寻找白矮星时找到了类星体。

  很快,天文学家们就意识到,类星射电源和蓝星体应该属于一类天体,尽管它们的物理本质当时尚不清楚。于是,共同起了一个概念不明确的名称——类似恒星的天体,英文是qusi-stellar object。在一次得克萨斯州举行的相对论天体物理学讨论会上,记者要报道这一新的发现,但认为新天体的名称太绕口了。一位华裔美国天文学家立即给这种天体起了一个响亮的英文名字quasar,这个人便是邱宏义。

  邱宏义是近代留美学者中的一位佼佼者,他在中微子天体物理学方面建树颇多,称得上是开拓者之一。后来,他主编了一本关于恒星演化的文集,被人批评为错误百出。邱宏义咽不下这口气,开始打起了洋官司。从此忙碌于官场,不再写天文文章。但邱先生多才多艺,不写天文文章可以写菜谱,而且还做得一手好菜。笔者的一位合作者,美国塞罗托洛洛天文台(Cerro Tololo Observatory)台长史密斯(M. Smith)告诉我,他当年的婚礼宴会就是由邱宏义主厨的。

  美国的《天体物理学报》(Astrophysical Journal)是世界上最权威的天文学杂志之一。它当年的主编是钱德拉塞卡(S. Chandrasekhar),这位美籍印度天文学家是1984年诺贝尔奖获得者,但思想比较保守。在他任主编期间,一直不允许quasar一词出现在《天体物理学报》上。不过,这个新词越来越流行,终于被国际天文界正式采用了。

  quasar一词在日本被翻译为凖星。在台湾被翻译为魁煞星,是由原台湾清华大学校长、号称台湾四大公子之一的沈君山定名的。笔者认为这个音译名颇为精彩,全世界的天文学家们努力了将近半个世纪,至今仍然降服不了这个魁煞恶神。

  类星体发现55年 它带给人类什么惊喜?②

  作者:何香涛,系北京师范大学天文学系教授,博士生导师,国际天文学会会员。曾任中国天文学会副理事长,北京市天文学会理事长。

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