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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)
标签:

宇宙

探索

天道本源 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。

天道本源之时空宇宙第三章类星体带来的疑问 

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,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。

天道本源之时空宇宙第三章类星体带来的疑问 

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,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不同的吸收线有不相同的红移多重红移问题

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,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。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。

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。

天道本源之时空宇宙第三章类星体带来的疑问 

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OAOA 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AB, AB远远大于AB。我们因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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