类星体：第一类灾变的三种可能形式及其特点

类星体

关于第一类灾变，我们到目前为止实际上已经介绍了它的三种可能形式，即膨胀到出现热寂，收缩成宇宙蛋，以及收缩成一个一个的黑洞。它们的结局，都是使整个宇宙中不可能存在着生命。这第一类灾变的第三种形式，同前两种形式有一些重要的不同。

不论宇宙是普遍膨胀而最终出现热寂，还是宇宙普遍收缩而最终变成宇宙蛋，这两种过程对整个宇宙的影响可以说都是均匀一致的。无论出现的是哪种情况，假定从现在起1万亿年以后人类仍然存在的话，在宇宙中我们人类所在的这一部分，既不会是特别糟糕，也不会是特别好一些。比起宇宙的其他部分来，我们所在的这一部分绝不会明显地提前或推迟让我们陷入绝境。

然而，在第三种形式的第一类灾变的情形，即在宇宙收缩成一个一个的黑洞的情形，事情就会完全不同。在这种灾变中，我们遇到的实际上会是一些局部的灾变。有可能在某处形成了一个黑洞，而在另一处却没有形成黑洞。因此，有可能生命无法在某一处生存，却可以在另一处生存。随着时间的流逝，宇宙中的一切都注定会聚集成一个黑洞，但是，在此之前某时某地形成那些黑洞便已经可以使得在某时某地它们近处不可能有生命存在，虽然在其他地方，也可能生命还会继续勉强维持1万亿年。所以说，我们现在真正关心的，是现在是否真的存在着黑洞。如果存在着黑洞的话，我们又希望知道，它们多半位于什么位置，其中会不会有一个黑洞能在最终的灾变来临之前（甚至提前很久）就对我们造成危害。

首先，我们有理由认为，黑洞多半会在已有大量质量聚集的地方形成。一颗恒星的质量越大，它就越有可能最终成为一个黑洞。至于大量恒星拥挤在一起而形成的星团，则更容易成为黑洞。

在所有星团中，最大的和其中恒星最拥挤的星团，全都位于星系的中心，特别是出现在像我们银河系这样大的或更大的巨星系的中心。在那些星团中，上千万亿颗恒星挤在很小的空间区域，所以极有可能会发生黑洞灾变。

仅仅在20年前，天文学家还不相信星系中心进行着剧烈的事件。在那里的星团内部，恒星固然彼此相距较近，但是，即使在一个大星系的中心，恒星之间的平均距离大概也有1/10光年，因此，恒星的活动余地仍很大，彼此之间不至于发生严重的干扰。

如果我们的太阳也是位于这样一个区域，那么，我们用肉眼将会在天空看到25亿颗恒星，而且其中会有1000万颗是一等星或更亮的恒星，不过每一颗看起来仍然只是一个光点。由那些恒星射到我们这里的光和热，全部加起来，大概会是来自太阳的光和热的1/4。这额外的光和热，就很可能会使我们的地球变得不适宜人类居住。不过，在离太阳更远一些的地方，比如说在火星所在的位置，倒可能是适于居住的。就在不久前的1960年，我们很可能会持这种看法，我们甚至还会希望我们的太阳真的是位于银河系的中心，以便我们能欣赏到灿烂辉煌的美丽夜空。

如果我们只能探测到来自恒星的可见光的话，我们也许永远不会改变我们的看法。然而，美国的射电工程师央斯基（Karl Guthe Jansky，1905—1950）在1931年第一次探测到了来自某些特定天区的射电波，它们的波长是可见光波长的100万倍。第二次世界大战以后，天文学家研究出了许多探测这些射电波——特别是波长比较短的射电波，即微波——的方法。到20世纪50年代，射电望远镜的质量得到迅速改进，天文学家用它们在天空确定了许多射电源的位置。那其中，有不少似乎就是我们银河系中的一些非常暗的恒星。对这些恒星进行仔细考察表明，它们不仅发射出大量的微波，显得极不寻常，而且，在它们的周围，似乎还包围着很暗的云，即星云状物质。它们之中最亮的那一颗，即射电源表中编号为3C273的恒星，还显示出有物质从它喷射出来，即有一股细小的喷流的迹象。

起初，天文学家猜想，这些发射微波的天体虽然样子像恒星，恐怕实际上并不是普通的恒星。因此，他们给这些天体取名为类星射电源。1964年，美籍华裔天文学家丘宏义简化了这个术语，把它们称作“类星体”。以后，人们一直就用类星体这个名字来称呼这些样子像恒星的发射微波的天体。

天文学家很快就研究了类星体的光谱，但是，迟至1963年，天文学家才确认出了在类星体的光谱中发现的那些暗线。1963年，一位荷兰血统的美国天文学家施密特（Maarten Schmidt，1929—）辨认出，那些暗线原来就是平常出现在光谱紫外区远端的谱线。这就是说，它们代表的是比能被我们视网膜感知，从而被我们看见的光波波长要短得多的光波。它们之所以出现在类星体光谱的可见区，只是因为它们发生了很大的红移。

类星体的光谱线有这样大的红移，这意味着它们正在以极大的速度退行，离我们而去，其退行速度一定比任何一个可见星系的退行速度还要大。因此，这又表明，它们离我们比任何一个可见星系都更加遥远。类星体3C273离我们其实是最近的，但也已经是在10亿光年以外。此外，天文学家还发现了几十个类星体，它们离我们都更远。最远的那个类星体，离我们的距离大到120亿光年。

类星体在如此遥远的地方，我们却能看见它们，如此说来，它们肯定要比一个星系（例如银河系）亮100倍。如果是这样的话，那不会是因为它们比银河系大100倍，从而所含的恒星数目比银河系多100倍。倘若类星体真的有那样大，那么，尽管它们离我们那样远，在我们的大型望远镜中它们看起来也应是一块云样的雾斑，而不会仅仅是一个亮点。它们肯定要比星系小得多。

还有一个事实，表明类星体不会很大。这就是，类星体的亮度会逐年发生变化，对于有的类星体，甚至是逐月发生变化。对于一个星系大小的大天体，是不可能出现这种现象的。对于一个星系，它的有些部分可能会逐渐变暗，另一些部分逐渐变亮，但是平均而言，它的总体亮度多半会维持不变。这是因为，若要它的整体一会儿变亮，一会儿变暗，就必须要有一种效应能及时地传到它的各个部分。这样一种效应，不论它是什么性质，必须要从星系的一端移动到另一端，而且它的移动速度绝不可能超过光速。例如，在我们银河系内，不论什么效应，它从银河系的一端移动到另一端，至少需要10万年的时间。如果银河系的整体反复地变亮和变暗的话，这种亮度变化的周期至少是10万年。

但是类星体的亮度变化十分迅速，表明它们的直径不会超过1光年。正是这种直径不到1光年的类星体，它们发出辐射的效率却是直径为10万光年的银河系的100倍。这是怎么一回事呢？回答这个问题的线索，可以说早在1943年就已经找到了。那一年，一位名叫赛弗特（Carl Seyfert）的天文学毕业生探测到了一个奇特的星系，那就是现在称之为“赛弗特星系”的一组星系中的一个成员。(www.xing528.com)

赛弗特星系在大小和距离上都没有与众不同的地方，只是有一个非常致密和非常明亮的中心。可以想到，那一定是一个非常炽热和十分活跃的中心，简直就像是一颗恒星。这些明亮的中心，就像类星体那样，发出的辐射随时间而变化，而且它们的直径很可能也不到1光年。

设想有一个赛弗特星系离我们十分遥远，而且有一个特别明亮的中心，那么，我们能够看到的，便只是它的那个明亮中心，它的其余部分由于太暗，无法被我们察知。简单说来，很有可能，我们认为是类星体的天体，其实就是非常遥远的赛弗特星系，我们看到的不过只是它的明亮中心（虽然比较近的类星体周围的星云状物质多少显示了一点星系的特征）。在超过10亿光年的距离上，每有一个巨型赛弗特星系恐怕就有10亿个普通星系，然而我们却没有看见那些普通星系。它们没有哪一部分特别亮，以致能被我们观测到。

不属于赛弗特星系的那些星系似乎也都有活动的中心，也就是说，它们的中心由于某种原因是辐射源，或者有发生过爆炸的迹象，有时甚至两者都是。

在星系中心，许多恒星挤在一起，难道这就肯定会造成产生黑洞的条件，使黑洞逐渐长大，最终变成巨大的黑洞吗？难道这些黑洞就是星系中心活动的原因，从而使得赛弗特星系和类星体的中心非常明亮吗？

为了回答这个问题，我们实际上必须搞清楚，既然没有任何东西——连辐射在内——从黑洞流出来，那么在星系中心的黑洞又怎样能够成为高能辐射源呢？原来，辐射不一定要来自黑洞本身。当有物质沿着螺旋路径掉进黑洞中去时，它们会在黑洞近处极强的引力场内以非常高的速度绕黑洞运动，那时，就会有极强的高能辐射发射出来。在那些辐射当中，会包含有大量的X射线，即波长只有可见光波长五十万分之一的电磁辐射。

以这种方式发出的辐射的强度取决于两个因素。第一，辐射强度取决于黑洞的质量，因为一个黑洞的质量越大，它吞食物质就越快，吞食的数量也越多，因而就有可能以这种方式产生更多的辐射。第二，辐射强度还取决于黑洞附近存在的物质的数量。黑洞附近的物质会聚集在黑洞的四周，进入一个称之为“吸积盘”的轨道。一个黑洞附近的物质越多，它的这个吸积盘就有可能越大，从而就会有比较多的物质盘旋着掉进黑洞，同时产生比较强的辐射。

星系中心不仅是形成一个黑洞的理想地点，而且那附近的物质的数量也最多。无怪乎许多星系的中心都有一个非常密实的辐射源，而且，在有些场合，它们的辐射还非常强。

有些天文学家认为，每一个星系在它的中心都有一个黑洞。其实，在大爆炸发生之后不久，随着气体云的收缩，那些最致密的部分就有可能凝缩成了黑洞。接着，被黑洞引力吸引区域里的气体继续收缩，围绕着它旋转。所以说，一个星系中心处的黑洞其实就是该星系的最古老部分，围绕着这一部分而形成那个超吸积盘，就是以该黑洞为中心的那个星系。

多数情况下，这些黑洞都比较小，产生的辐射也比较少，我们的仪器探测不出这些中心有什么特别的地方。但是，的确会有一些黑洞非常大，以致它们近处的吸积盘竟是由许多恒星组成的。这些恒星在轨道上拥挤不堪，实际上会发生碰撞，最后会全都被中心黑洞吞食掉。正是这样一种过程，使得一个黑洞近处的区域异乎寻常地明亮，发出大量的高能辐射。

不仅如此，当物质盘旋着掉向黑洞时，会有高达10%甚至更多的质量转化为能量而释放出来。要知道，通常一颗恒星的中心发生核聚变，只有0.7%的质量转化成能量，以常见的辐射的形式发射出来。

在这样的条件下，一个体积很小的类星体却显得非常明亮，就毫不足怪了。而且，我们还能够解释一个类星体为什么会一会儿变暗，一会儿变亮。这是因为，凑巧有物质掉进黑洞，这种事件当然不会是均匀进行的。有时候，也许凑巧有大块物质掉进了黑洞；有时候，掉进黑洞的物质也可能很少。

1978年，天文学家根据对来自空间的X射线的研究认为，一个典型的赛弗特星系，其中心黑洞的质量有可能是太阳质量的10倍至1亿倍。至于类星体中心处黑洞的质量，肯定还要更大，多半会是太阳质量的10亿倍以上。

一个即使不属于赛弗特星系的星系，只要它足够大，也会有这种奇特的表现。例如，有一个叫做M87的星系，它的质量很可能是我们银河系质量的100倍，包含有大约30万亿颗恒星。它是室女座里一个巨大星系团的一个成员，距离我们6500万光年。M87星系本身的直径是30万光年，然而它的中心的直径却不到（也许远小于）300光年，正发生着剧烈的过程，十分活跃。而且，从它的中心还喷出有一股物质喷流，一直射到该星系的外面。

1978年，有天文学家报道说，他们研究了M87星系核的亮度，并同该星系的外围区域进行了比较。同时，他们还研究了M87星系中的恒星像是向着中心靠近的运动速度。这些研究得到的结果表明，在M87星系的中心似乎有一个巨大的黑洞，其质量等于太阳质量的60亿倍。这样一个黑洞当然是够大的了，虽然它还只占到M87星系总质量的1/2500。