天道本源之时空宇宙第三章类星体带来的疑问
2020-04-25 14:11:47
天道本源 之 时空宇宙
第三章 类星体带来的疑问
就在星系红移的本源问题令人疑惑不解的时候，20世纪60年代，随着“类星体”这种奇异天体的发现，红移本源问题更加让人扑朔迷离了。
类星体的发现
1960年底，美国天文学家艾伦·桑德奇用一台5米口径的光学望远镜，发现有一个很特别的天体。该天体位置与太空中编号为3C 48的无线电波发射源（射电源）相吻合，但它的光谱中有一些又宽又亮的发射线，这些发射线在光谱中所处的位置非常奇特。在此后长达三年之久的时间里，这一光谱无人能够识别。
1963年，另一位美国天文学家马丁·施米特，又发现了一个与 3C 48很相似，编号为3C 273的天体。施米特详细研究了3C 273的光谱后惊人地发现：那些奇特的发射线，原本就是普通的氢光谱线，只不过朝着红光的方向移动了相当长的一段距离，也就是说它们具有非常大的“红移”，使得谱线不易辨认而已，自此 ，3C 48之谜也迎刃而解了。
这种新型的天体特别之处在于，即使使用最大的天文望远镜进行观测，也仅呈现为与恒星类似的微小光点。如果按照红移与距离成正比例的关系计算，巨大的红移表明，它们是极其遥远的河外天体。当初，天文学家也正是因其貌似恒星而非恒星，便将它们命名为“类星体”，也就是“类似恒星的天体”。
近年来，随着天文观测手段的不断进步，天文学家通过大型巡天望远镜，已经发现了20多万颗类星体，它们具有一些共同的诡异特点。
诡异的特点：
类星体在照相底片上具有类似恒星的影像，这意味着它们的角直径小于1″。极少数类星体有微弱的星云状包层，还有些类星体有喷流状结构。
类星体光谱中有许多强而宽的发射线,最经常出现的是氢、氧、碳、镁等元素的谱线，“氦线”非常微弱或者不出现，这可以用氦的低丰度来解释。现在，人们普遍认为，类星体的发射线产生于一个气体包层，产生的过程与一般的气体星云类似。类星体的发射线很宽，说明气体包层中一定存在猛烈的湍流运动。有些类星体的光谱中有很锐的吸收线，说明产生吸收线的区域里湍流运动的速度很小。
类星体发出很强的紫外辐射，因此，颜色显得很蓝。光学辐射是偏振的，具有非热辐射性质。另外，类星体的红外辐射也非常强。
类星射电源结构多数呈双源型，少数呈复杂结构，还有少数是致密的单源，致密源通常与光学源重合。
类星体一般都有光变，时标为几年。少数类星体光变很剧烈，时标为几个月或几天。类星射电源的射电辐射也经常变化。观测还发现有几个“双源型”类星射电源的两子源，以极高的速度向外分离。
类星体的发射线都有很大红移。如果红移产生于宇宙空间膨胀效应，按照红移量来计算，大部分类星体都处在100亿光年之外，其中有40个左右距离地球超过127亿光年。
类星体奇异的特性，给天文学家带来了很多困扰，其中主要困扰之一是类星体的“能源困难”。
能源困难
20世纪20年代，哈勃等人发现星系的光线普遍具有红移，而且红移量与星系的距离成正比的哈勃定律后，人们就用红移值计算遥远星系和类星体的距离了。但是，由红移值推导类星体的距离，却出现了一个尖锐的矛盾：类星体的红移量异常之大，如果按照红移量来计算，则绝大多数类星体必定正在以每秒几万千米、十几万千米，甚至接近于光速的巨大速度退离我们而去。按照宇宙诞生的时间，倒推它们的距离，这些类星体与我们必定远达几十亿光年，高红移的类星体距离地球可达到100多亿光年以上。而它们的尺度比星系小很多，但释放的能量却是星系的千倍以上，它们超常的亮度使其光能在100亿光年以外的距离处被观测到。正是由于类星体如此遥远，又显得相当明亮，才导致其产能率高到令人困惑的“能源困难”，同时也引发了天文界探索类星体本源的热潮。
类星体本源假说
在类星体发现后的二十余年时间里，人们对这一奇特天体的本源众说纷纭，陆续提出了各种假说模型，试图解释类星体的能源疑难，比较有代表性的有以下几种：
黑洞假说：类星体的中心是一个巨大的黑洞，它不断地吞噬周围的物质，并且辐射出能量。
白洞假说：与黑洞一样，白洞同样是广义相对论预言的一类天体。与黑洞不断吞噬物质相反，白洞源源不断的辐射出能量和物质。
反物质假说：认为类星体的能量来源于宇宙中的正反物质的湮灭。
巨型脉冲星假说：认为类星体是巨型的脉冲星，磁力线的扭结造成能量的喷发。
近距离天体假说：认为类星体并非处于遥远的宇宙边缘，而是在银河系边缘高速向外运动的天体，其巨大的红移是由和地球相对运动的多普勒效应引起的。
超新星连环爆炸假说：认为在起初宇宙的恒星都是些大质量的短寿类型，所以超新星现象很常见，而在星系核部位的恒星密度极大，所以在极小的空间内经常性地有超新星爆炸。
恒星碰撞爆炸：认为起初宇宙较小时代，星系核的密度极大，所以常发生恒星碰撞爆炸。
活动星系核
20世纪90年代中期，随着观测手段的进步，类星体的一些谜团开始逐渐被揭开。其中一个重要的成果是观测到了类星体的“宿主星系”，并且测出了它们的红移值。证明类星体是生存在某些星系之中的星核部分，但由于类星体的光芒过于明亮，而宿主星系又相对暗淡，所以此前宿主星系并没有被人们探测到。直到在望远镜上安装了类似观测太阳大气用的日冕仪一样的设备，遮挡住类星体明亮的光，才观测到了它们所处的宿主星系。
现在科学界已经逐步达成共识，认为类星体实际是星系一级的天体活动剧烈的核心部分（活动星系核）。而在这一时期，“赛弗特星系”和“蝎虎BL”天体被证实为是活动星系核，因此一种试图统一射电星系、类星体、赛弗特星系和蝎虎BL天体的活动星系核模型逐渐受到普遍认可。
这个模型认为，在星系的核心位置有一个特大质量黑洞，在黑洞的强大引力作用下，附近的尘埃、气体以及一部分恒星物质围绕在黑洞周围，形成了一个高速旋转的巨大的吸积盘。在吸积盘内侧靠近黑洞视界的地方，物质掉入黑洞里，伴随着巨大的能量辐射，形成了物质喷流。而强大的磁场又约束着这些物质喷流，使它们只能够沿着磁轴的方向高速喷射，通常是与吸积盘平面相垂直的方向。观察者观测活动星系核的视角有所不同，活动星系核则分别表现为类星体、射电星系、赛弗特星系和蝎虎BL天体。
按照这一说法，类星体的能源困难，总算有了一个比较合理的解释。但问题远没有结束，因为观测显示，有些“双源型”类星射电源的两子源，和有些类星体的“喷流”速度存在超光速运动。
超光速运动
观测发现，一部分类星体是孤立存在的，也有一部分是有分立的“子电波源”组成的。奇特的是，一些类星体两个“子电波源”的分离速度，存在“超光速”运动现象。
由巨大天线阵（VLA）从1977年到1980年，以波长2.8cm的无线电波波段观测结果显示，3C 273射电源有两个分立的“子电波源”，其两个“子电波源”之间的分离速度高达11倍光速。
另外，还有一些类星体具有“喷流”结构，而测量得到有些类星体“喷流”速度也大大超越光速。
还记得上面这张照片吗？这是2019年4月10日公开的首张黑洞照片，也就是大名鼎鼎的M87 *黑洞。按照红移量推算，M87 *黑洞距离地球约5300万光年，质量为太阳质量65亿倍，位于一个直径约为24万光年的M 87星系中，它的质量要比银河系中心超级黑洞人马座 A*大得多，因为人马座 A*黑洞只有太阳质量的400万倍。
而现在这个黑洞再次引起了科学家的注意，是因为科学家观测到它在疯狂地喷出极快的射流，以接近光速在外太空中行进。根据哈勃太空望远镜用可见光和红外光，对M87 *黑洞射流进行了捕捉，合成图片显示，喷射流在外太空中延伸约5000光年，并且以99%光速速度向外继续延伸，一部分射流速度看起来竟达到光速6.3倍。
为了证实这一观测结果，天文学家动用了多种望远镜，地面望远镜阵列EHT，还有钱德拉X射线太空天文台，使用无线电，光学和X射线再次进行了观测，得出该射流以99%光速在移动，而其中一部分射流竟是光速6.3倍，另一部分射流是光速的2.4倍喷射而出。
这是一个与现代理论不相容的现象，根据爱因斯坦广义相对论原理，光速是物体运动速度的极限，也是能量传递速度的极限，物体不可能有超越光速的运动，这样的观测结果太不可思议了！得到如此结果，要么是爱因斯坦相对论错了，要么就是我们对类星体距离和速度的推算方法出现了问题，或者说是我们对类星体红移的本质理解出了问题。
类星体红移之争
人们对类星体进行了统计，结果发现在红移－视星等图上分布毫无规律。也就是说，人们观测到的视觉亮度，与它的红移量之间的关联杂乱无章：视觉亮度高的类星体，红移量有的大有的小，视觉亮度低的，红移量也是有的大有的小。这与普通亮星系完全不同，普通星系规律性很强，视觉亮度高，红移量就小，视觉亮度低，红移量就大。
这时有人便转而怀疑类星体是否真的那么遥远？用多普勒效应来解释类星体红移是否合适？就这样，“类星体红移的本源”便成了当代天文学中的一大疑团。对此，天文学家有不同的意见和提法，如“宇宙学红移”、“非宇宙学红移”、“速度红移”、“局域多普勒红移”、“引力红移”“内禀红移”、“本征红移”以及“光子老化”等等，大致上可分为宇宙学红移和非宇宙学红移两个阵营。
有一部分天文学家认为：类星体的红移是宇宙学红移，即红移反映了类星体的退行速度，而且红移和距离之间存在着哈勃关系。其证据是类星体的物理性质与某些活动星系很类似，而这些活动星系已被证明是满足哈勃定律的。另外，已发现几个类星体很靠近某个星系团，或就在星系团内，这些类星体与它们所靠近的星系团红移近似相等。
持这一观点的科学家认为，类星体在红移－视星等图上之所以弥散，是由于类星体的绝对星等弥散太大，而不是因为哈勃定律不成立。
另外一部分天文学家则坚持认为：类星体的红移不是宇宙学红移。这种观点所依据的观测事实有：某些类星体和与它们红移量相差很大亮星系之间，存在一定的统计相关性；某些类星体（如马卡良星系205）似乎与亮星系之间有物质桥联系，但二者的红移相差却极大。
持这种观点的人认为：类星体可能是银河系或者我们附近其它星系抛出来的，类星体红移是多普勒红移，而不是宇宙学红移。也还有人认为，类星体红移是大质量天体的引力红移。
除了上述奇特表现之外，人们还发现，有些类星体的光谱中，其吸收线的红移与发射线的红移互不相同，而且不同的吸收线还有各不相同的红移，即多重红移。这是一个非常重要的发现，也许就是我们解开天体红移之谜极其重要的“钥匙”所在。
类星体红移真相
已经得到确证的两种红移效应是多普勒红移和引力红移，而宇宙学红移，则是哈勃等人依据“星系距离越远，红移越大”这一现象，提出的假说推论。我们可以比照红移机制进行如下分析：
多普勒效应 如果一个发光天体高速远离地球而去，发光天体的光线会变红，人们称之为“多普勒红移”。多普勒红移由法国物理学家斐索在1848年证实。
多普勒红移没有可能产生多重红移的机制，无法解释一部分类星体光谱中不同的吸收线有着各自不相同的红移，即多重红移问题。
宇宙学效应 宇宙学红移的机制为空间的膨胀。大爆炸理论认为，宇宙正在以很高的速度膨胀着。光线离开发光体，在宇宙空间传播，传播所用时间越久，空间的扩展也越多，所以光被延伸的就越多，红移的值也就越大。
如果宇宙果真在膨胀，就有可能造成多重红移：遥远类星体的光线在到达地球之前，途中必然多次穿越星系附近。光线首次进入途中星系的气体和尘埃区，会有部分波长的光子被吸收，光线便会携带一重吸收线。光线运动到下一个星系的气体和尘埃区域之前，要经历一定的时间，在这段时间里，由于宇宙膨胀机制导致光线被拉伸。当光线再次进入下一个星系的气体和尘埃区域，被吸收光子形成吸收线的红移值会与前一次有所不同。以此类推，多次进出星系的气体和尘埃物质区域，就会造成红移值不同的多重吸收线。
但宇宙学效应无法解释“子源”和“喷流”超光速问题：之所以科学家怀疑类星体红移本源问题，正是因为类星体有着巨大的红移，而根据红移值计算出来的类星体退行速度非常大，距离我们非常远。在如此遥远的距离上，单位时间内“子源”分离或“喷流”形成的张角大得超乎想象，也才导致了无法解释的“超光速运动”问题。
对于“子源”分离速度问题，有人提出，可以用“探照灯”效应来解释：“子源”不是实体物质，而是类似探照灯打在天幕上的虚影。类星体中心黑洞两极的辐射就像探照灯，探照灯照射在天幕云层上形成的虚影，探照灯有微小转动，天幕上的虚影就会高速移动。只要天幕足够遥远，转动探照灯，天幕上虚影的运动速度就能形成超越光速的假象。这一解释似乎可以讲得通，但这种理论对于实体物质构成的“喷流”也具有超光速运动就无能为力了。
但是，如果真如有的科学家怀疑的那样，类星体红移是由于引力机制造成的，而不是多普勒机制或者宇宙学机制造成的，类星体与我们的距离，没有人们利用红移量估算的那么遥远，也就不存在“超光速运动”了。
如上图所示：O点为观察者所处的位置，A点是类星体实际所处的位置，OA是类星体与我们的实际距离，AB是类星体子源分离(或喷流运动)的实际距离。
如果是因为“哈勃定律”的误导，根据红移量推算出来距离就成了OA’，OA’ 远远大于OA。这样一来，我们会误认为类星体子源分离(或喷流运动)的距离为A’B’, A’B’远远大于AB。我们因此计算出来类星体子源分离(或喷流运动)的速度就会远远大于实际速度，出现了超光速的结果。
引力红移 引力红移是爱因斯坦相对论预言的一种“红移”效应，也被称作“相对论性效应”。当从远离引力场的地方观测时，处在引力场中的光源所发射出来光线，其波长会变长一些，也就是“引力红移”。引力红移已经得到实测证实。
现已基本确认类星体是遥远星系的“活动星系核”，星系核中心附近存在高速旋转的吸积盘，吸积盘物质高速摩擦碰撞产生能量辐射而发光。由于发光物质非常靠近星系核中心，由于星系核巨大的引力，光线从这些发光物质发出时，本身就具有巨大的引力红移。
类星体发出的光线，射向途中星体的部分会被星体阻挡或吸收。只有穿越途中星体间隙的部分光线，才能够到达地球，这些光线到达地球，必定要多次斜穿引力场。
如果光线斜穿引力场，也会导致红移增加，类星体红移的本源也许就此能够解开，宇宙学上困扰人类多年的许多难题也将揭晓。只不过我们现在流行的宇宙理论就要寿终正寝，我们需要重新构建一套新的宇宙理论了。
光线斜穿引力场是否导致红移增加，涉及到万有引力的产生与时空扭曲问题，我们将在此后《万有引力的产生》和《物质与时空扭曲》两个章节进行探究。
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