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解开宇宙中最明亮的天体之谜(图)

2013-03-19

目前观测到的最遥远类星体发出的光显示了有关早期宇宙化学过程的细节。

凤凰科技讯 北京时间3月19日消息,美国太空网报道,50年前当科学家开始理解类星体——宇宙中最明亮的天体——的真正本质时,天文学因此发生了彻底的改变。1963年3月16日荷兰出生的天文学家马丁·施密特(Maarten Schmidt)出版了对类星体距离的首次确定性测量,研究发现令科学家困惑不已的名为3C273的天体距离地球25亿光年远。这项令人惊叹的发现显示了3C273固有的光亮打破了天文学记录,因为它在如此远的距离却仍显得如此明亮。这个天体并非恒星,尽管它具有能够发光的恒星特征。

随后,天文学家研究发现类星体其实是从星系核心处发光,当核心处隐匿的超大质量黑洞吞噬周围大量气体、尘埃和其它物质时,它便闪耀发光。即便如此,有关类星体还存在很多未解之谜需要科学家去解决。为此,记者采访了美国加州理工学院施密特教授:

加州理工大学的天文学家马丁·施密特。

问:距离那项天文学重要发现已经50年了,你现在的感受如何?

马丁·施密特: 除了我已经老了50岁(笑)?期间的确发生了很多不可思议的事,类星体的发现对天文学具有重大影响,因为它将黑洞的存在引入了天文学。当然也包括它们本身是异常明亮的天体,以至于在宇宙进化的任何阶段都能观测到它的存在。

问:有关这一重要发现的记忆目前仍栩栩如生仿佛就在昨天?

马丁·施密特: 的确如此。我当时看到了3C273的光谱,很明显它发射的是氢光谱,以及(氢原子光谱上的)巴耳末谱线,它大概移动了6个波长到红色光谱(这表明它迅速远离观测者,天体越遥远,后退速度越快)。因为该天体看起来像一颗恒星,因此这一观测结果非常惊人,但事实表明它并非恒星,后者红移非常小——大约只有0.2%,而观测到的天体红移有16%,比前者大80倍,因此我当时观测到的肯定不是普通的恒星。

随后我利用宇宙学红移来解释它的存在,因为我意识到它异常明亮,这非常惊人,因为它比普通的星系,甚至是最大的星系都还要明亮。简而言之,我发现宇宙中某个天体比整个星系都要明亮,同时它看起来像一颗恒星。这真是令人难忘的经历。

问:就整个学术生涯而言,你如何评价那一时刻?

马丁·施密特: 这是我整个研究生涯中最重要的发现。我进行的很多其它研究都是长期工作,首先我在荷兰研究星系结构的21厘米波长线(放射波长),在20世纪50年代利用21厘米波长试图揭开星系的旋转结构,然后又进行了其它工作。有趣的是,虽然大多数其他研究都耗费了好些年的时间,但所有的结论都在一个月内产生,具体来说,是在某个下午。

问:类星体本质的发现是如何影响天文学和我们对宇宙的理解?

马丁·施密特:这其中涉及两个方面。天体物理学非常重要,这主要是因为黑洞的存在,而且很明显黑洞在不断积累物质。当你向黑洞“喂养”物质,就会产生一个异常明亮的吸积盘,后者比整个星系更明亮,虽然这不可思议,但的确正是我们所观测到的天体。虽然在此之前从未观测到它,但这一发现非常重要。

另一方面便是当你观测统计数据时会发现,100亿年前,类星体的数量大约是现在的100倍。而这一发现是基于【施密特的】数据统计工作,并发现了从量级、红移以及其它方面来说完好定义的完整样本。

在宇宙中仍存在少数类星体,但它们看起来即将死亡。这非常奇怪,同时研究它们也异常困难。你唯一能做的是展开整个光谱并细致研究它,获得红移数据以及放射气体的情况。但这仍无法实现搜集所有精确细节信息,因此它也涉及一些理论研究——尤其是1969年英国剑桥大学唐纳德·凌澄-贝尔(Donald Lynden-Bell)的研究——从而得出其中涉及黑洞以及从周围环境吞噬物质的理论。

问:类星体使得天文学家能够回溯过去,对吗?

马丁·施密特: 的确如此。类星体如此明亮以至于你从很远的距离都能看到它们,而很远的距离需要光行驶很多年才能到达。因此借助类星体你可以追溯过去。你可以观测很古老的天体,产生的红移越大,它们存在的时间越久。这也是整个研究的一个重要方面,你可以记录宇宙的进化和内容。1965年我就已经提供了类星体在宇宙中是如何进化的完整理论和结果,直到现在这些理论仍然有效。

问:该领域的现状如何?半个世纪过去了我们对类星体的理解是否有了更多进展?

马丁·施密特: 在过去的50年间,对类星体的理解几乎没有大进展。3月14日出版的期刊《自然》中就有一名天文学家批评这些年天文学的发展并没有实现这一目标。但它的确是个非常困难的问题,因为你只能观测到一个点光源,你无法看到它的结构因此无法细节研究它。

问:我们如何才能更好的理解到底是什么驱动了类星体?我们是否需要更精良的仪器?我们是否需要更好的理论支持?

马丁·施密特: 我们必须获得有关宇宙最高的清晰度,也即描绘一张类星体的地图。目前这并非不可能,因为在超大基线射电天文学里,你拥有蔓延数公里长的干涉仪,并且有大量无线电天线同时研究同一类星体,你能够获得一张具有极高分辨率的地图。你所观测到的现象将非常有趣,因为所有的运动都是向外的。

早在20世纪70年代中期,据称这种运动比光速还快,但之后研究发现它与观测角度以及其它因素有关。这仅仅是个开始,正如很多伟大的研究一样从小处开始,随后研究类星体的发展,它们的结构以及这些结构是如何变化的。

问:目前类星体需要解决的最大谜题是什么?

马丁·施密特: 这很难说,但我认为目前缺少的很可能是对类星体能量源的细节理解。当我谈到“细节”时,我必须承认一定程度上的无知,我无法更进一步解释我目前所构想的。这也是我的猜测,在一定程度上具有缺陷性。

问:你打算如何庆祝这50年纪念

马丁·施密特: 加州理工学院将于9月9日和10日举行国际座谈会。

问:那你个人不要做什么特别的事庆祝吗?马丁·施密特: 应该不会

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