宇宙中最亮的星

陈若颖

我们在夜晚能够看到的最亮的天体是月亮，在白天能够看到的最亮的天体是太阳。那么，大家有没有想过，宇宙中最亮的天体是什么呢？

神秘的光谱

20世纪是无线电的时代，这一脱离了“线控”的新兴科技在发明伊始就被广泛地应用于各个领域。之前一直局限在可见光波段探测宇宙的天文学家们也开始意识到，原来人类可以换一种方式“聆听”宇宙。之后，天文学家们便纷纷沉迷于射电天文观测，射电天文学也在这一阶段蓬勃发展。

以无线电接收技术为依托的观测方式

在20世纪中叶，英国剑桥大学的马丁·赖尔和安东尼·休伊什为了更好地观测天空中的射电源，在校内建造了一架名为“剑桥干涉仪”的射电干涉仪望远镜，并利用它在射电波段开展巡天观测项目。经过数年的仔细观测与统计，他们先后发表了名为1C、2C、3C的三份宇宙射电源表，将一些著名或有趣的射电源坐标记录在了表内。后来，两人也因为在射电天文学方面的突出贡献，共同获得了1974年的诺贝尔物理学奖。

C是Cambridge的缩写，表示剑桥大学

马丁·赖尔

安东尼·休伊什

在马丁和安东尼的这三份射电源表问世后，天文学家们又纷纷尝试从光学波段寻找表中这些射电源的光学对应天体，研究不同天体在射电波段和光学波段的异同。1960年，美国天文学家艾伦·桑德奇就在光学波段中寻找到了3C星表中一个名为3C 48的射电源的对应天体。这个天体拥有极强的射电辐射，但在可见光波段下乍一看却只是个小亮斑，视星等仅有16等。最初，大家都以为它只是颗拥有强射电辐射的恒星，但在深入研究3C 48的光谱后，桑德奇却发现了这个天体的特殊之处。

我们知道，原子内部有不同能量的电子在不同的轨道上旋转，当在固定轨道旋转的电子受到刺激跃迁到其他轨道上时，就会发射或吸收一些特定波长的光线。

电子跃迁示意图

在光譜中，吸收线显示为黑色线条，发射线显示为彩色线条

由于恒星的热核反应都发生在恒星内部，所以由恒星核心区核聚变反应发出的光线必须经过恒星外层，被恒星外层中的物质吸收掉一些特定波长的光后，才能到达地球。所以，恒星光谱一般都有明显且较窄的吸收线，我们同样也可以通过分析这些吸收线的波长，反向推测出恒星的物质组成。

然而，深入研究3C 48的光谱后，桑德奇却发现它的光谱不像一般恒星那样有明显的吸收线，反而拥有一些又亮又宽的发射线，而这样的发射线通常存在于星云或星系的光谱中。此外，这些发射线还无法和任何一种已知元素的光谱对应上。后来，澳大利亚天文学家西里尔·哈泽德在1963年也找到了表中名为3C 273号射电源的对应天体，这个同样看起来像一颗恒星的天体的光谱也有着未知的强发射线。当时的科学家们以为这些发射线是由某种未知元素发出的，他们甚至想要利用这两个光谱来寻找新的元素。因为暂时无法确定这些天体究竟是什么，科学家们就把这种看起来像一颗恒星却又不是恒星、光谱看起来像是星云却又不是星云、射电辐射像星系却又不是星系的天体命名为“类星体”。

巨大的红移

幸运的是，“类星体光谱中的新元素究竟是什么”这个问题并没有困扰天文学家们很久。1963年，美国天文学家马丁·施密特也在对3C 273进行研究。他用了当时最先进的光学望远镜去测量这个天体的光谱，并对着光谱思考了一个多月后，突然顿悟——这根本不是什么新元素的发射线，而是已知元素的发射线整体发生了位移！施密特探测到了3C 273光谱中氢元素标志性的三条谱线，只不过它们不在原本静止时所处的波长处，而是整体往可见光波段波长最长的红光一端移动了很长的距离。

3C 273光谱与比较谱的对比图

超级链接

红移

当一辆救护车驶向我们的时候，我们听到的鸣笛声会越来越短促，而当它驶离我们时，我们也能感觉到鸣笛声的频率逐渐降低，这是多普勒效应的一种表现。同理，当物体正在远离我们的时候，它所发出的电磁波的波长也会变长，频率也会降低。因为这种现象最先在可见光波段被发现，并且在可见光波段中，这种现象表现为特定波长的光整体往波长最长的红光一端移动，所以这个现象被命名为“红移”。物体远离我们的速度越快，发出的电磁波的波长变化就越明显，红移量也就越大。20世纪初，爱德温·哈勃通过观测发现宇宙中几乎所有的天体都会发生红移现象，并且距离我们越远的天体红移量越大。这一发现也成为宇宙正在膨胀的证据之一。

红移波长变化示意图

看到这里你可能要问了：明明在数十年前，哈勃就已经通过对遥远星系的观测，发现了红移这个现象，并且得出“距离我们越远的天体正在以越快的速度远离我们”的结论，那为什么科学家们辨认不出3C 48和3C 273光谱中的谱线红移呢？这是因为在这两个天体的光谱中，谱线的红移量实在太大了。

在20世纪上半叶，由于技术的不成熟限制了望远镜观测的极限星等，而遥远天体因为亮度随着距离衰减，被观测到时一般都较为暗淡，所以人类暂时还只能观测距离我们较近的天体。并且依据哈勃定律我们可以知道，这些天体远离我们的速度不会很快，因此它们的红移量都不会太大，光谱中谱线的位移也就相对容易辨认。但3C 273中的三条特征谱线红移量达到了15.8%，3C 48中的氢和镁特征谱线红移量甚至达到了37%！正是这从未见过的巨大的红移，导致了最初科学家们都无法确认这些谱线的归属，甚至以为这些谱线是由某些未知元素发出的。

在解决了谱线红移的问题后，新的问题随之而来：为什么这两个天体能够有那么大的红移量？如果3C 273是一颗恒星的话，那么它距离我们大约20亿光年远，并且正以每秒47 000千米的速度远离我们。要知道，太阳不过是以大约每秒240千米的速度在围绕银河系中心旋转，所以大家可以想象47 000千米/秒的速度有多快！更令人惊奇的是它的亮度。虽然在望远镜中它看起来只是一颗平平无奇、亮度为13等的小亮点，但如果把它放在距离我们32.6光年的地方，我们看它就像我们在地球上看太阳一样亮。可以说，类星体就是宇宙中最明亮的一种天体。

揭开神秘面纱

在类星体被发现后的三十多年中，科学家们提出了多种假说来解释这样一种遥远且明亮的天体。其中，比较著名的有黑洞假说（这种假说认为类星体就是一个遥远的黑洞，它因正在吞噬大量的物质而释放出巨大能量）、白洞假说（这种假说认为类星体是正在不断向外辐射物质与能量的白洞）、超新星连环爆炸假说（这种假说认为类星体是一个处于星系核中心的区域，该区域因为物质密度极高，不断有超新星爆炸）等。虽然这些假说都还无法完全解释类星体的成因，但几乎所有假说都绕不开黑洞与星系这两种天体。

随着天文观测技术的发展，在20世纪90年代，人们终于揭开了类星体的神秘面纱。当时的科学家们想要研究类星体周围的天体结构，突发奇想地在天文望远镜中加入了一种类似日冕仪的设计。这种结构的望远镜能够将天体中央区域所发出的辐射遮住，仅显示天体周圍的物质结构。在遮住类星体明亮的光后，科学家们惊奇地发现，原来类星体是位于星系中央的一种天体，只不过之前因为类星体太过明亮而无法观测到它的宿主星系结构。

左图为哈勃望远镜拍摄的3C 273，右图为遮住了其中央区后的样子

随着黑洞理论的发展，以及在射电波段观测到的其他几种能够发出强烈射电辐射的星系，科学家们提出了一种将类星体和这几种星系统一起来的理论——活动星系核模型（简称“AGN模型”）。该理论认为，这些拥有强射电辐射的星系不同于我们现在的银河系，它们应该是正在形成的、早期的星系。因为这些星系距离我们太过遥远，早期发出的光穿越了遥远的距离，到现在才被我们观测到。这些星系的中央都有一个超大质量黑洞，这个黑洞可能是由宇宙早期的超大质量恒星坍缩而来，也可能是由星系并合所产生的。这时的星系中央气体密度极高，在它们中心的这个黑洞就可以快速吞噬周围的物质，形成一个巨大的、快速运动的吸积盘，同时在垂直吸积盘的两端喷射出两道等离子体流，发出大量的光和热。如果这个喷流的方向正对着我们，那么几十亿光年之外的我们所看到的这个活动星系核就是一个小亮点，也就是很早之前大家认识到的类星体;如果喷流的方向没有正对着我们的视线，我们就能看到两道延伸出数十万光年的射电喷流，那么我们就把这个星系称为射电星系、塞佛特星系或蝎虎座BL型天体。

大家还记得2019年天文学家们拍摄到的黑洞照片吗？那个黑洞就位于著名的射电星系——M87星系中，这个星系在之前就以它绵延4800光年的射电喷流而著名。而在这些超大质量黑洞将周围的物质吞噬尽之后，就会变成普通的旋涡星系或椭圆星系。

类星体的发现以及活动星系核模型的提出与完善，不仅成为黑洞存在的一大证据，还促使人们更积极地去寻找宇宙深处的类星体，通过对这些宇宙早期星系的观测，不断完善宇宙形成理论。

M87星系核中的黑洞

类星体艺术想象图