天道本源之時(shí)空宇宙第三章類星體帶來的疑問

2020-04-25 14:11:47

天道本源 之 時(shí)空宇宙

第三章 類星體帶來的疑問

就在星系紅移的本源問題令人疑惑不解的時(shí)候，20世紀(jì)60年代撩满，隨著“類星體”這種奇異天體的發(fā)現(xiàn)蜒程，紅移本源問題更加讓人撲朔迷離了绅你。

類星體的發(fā)現(xiàn)

1960年底，美國天文學(xué)家艾倫·桑德奇用一臺5米口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡昭躺，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)很特別的天體忌锯。該天體位置與太空中編號為3C 48的無線電波發(fā)射源（射電源）相吻合，但它的光譜中有一些又寬又亮的發(fā)射線领炫，這些發(fā)射線在光譜中所處的位置非常奇特偶垮。在此后長達(dá)三年之久的時(shí)間里，這一光譜無人能夠識別帝洪。

1963年似舵，另一位美國天文學(xué)家馬丁·施米特，又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與 3C 48很相似葱峡，編號為3C 273的天體砚哗。施米特詳細(xì)研究了3C 273的光譜后驚人地發(fā)現(xiàn)：那些奇特的發(fā)射線，原本就是普通的氫光譜線砰奕，只不過朝著紅光的方向移動(dòng)了相當(dāng)長的一段距離蛛芥，也就是說它們具有非常大的“紅移”，使得譜線不易辨認(rèn)而已军援，自此 仅淑，3C 48之謎也迎刃而解了。

這種新型的天體特別之處在于胸哥，即使使用最大的天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測涯竟，也僅呈現(xiàn)為與恒星類似的微小光點(diǎn)。如果按照紅移與距離成正比例的關(guān)系計(jì)算烘嘱，巨大的紅移表明昆禽，它們是極其遙遠(yuǎn)的河外天體。當(dāng)初蝇庭，天文學(xué)家也正是因其貌似恒星而非恒星醉鳖，便將它們命名為“類星體”，也就是“類似恒星的天體”哮内。

近年來盗棵，隨著天文觀測手段的不斷進(jìn)步，天文學(xué)家通過大型巡天望遠(yuǎn)鏡北发，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20多萬顆類星體纹因，它們具有一些共同的詭異特點(diǎn)。

詭異的特點(diǎn)：

類星體在照相底片上具有類似恒星的影像琳拨，這意味著它們的角直徑小于1″瞭恰。極少數(shù)類星體有微弱的星云狀包層，還有些類星體有噴流狀結(jié)構(gòu)狱庇。

類星體光譜中有許多強(qiáng)而寬的發(fā)射線,最經(jīng)常出現(xiàn)的是氫惊畏、氧恶耽、碳、鎂等元素的譜線颜启，“氦線”非常微弱或者不出現(xiàn)偷俭，這可以用氦的低豐度來解釋。現(xiàn)在缰盏，人們普遍認(rèn)為涌萤，類星體的發(fā)射線產(chǎn)生于一個(gè)氣體包層，產(chǎn)生的過程與一般的氣體星云類似口猜。類星體的發(fā)射線很寬负溪，說明氣體包層中一定存在猛烈的湍流運(yùn)動(dòng)。有些類星體的光譜中有很銳的吸收線暮的，說明產(chǎn)生吸收線的區(qū)域里湍流運(yùn)動(dòng)的速度很小笙以。

類星體發(fā)出很強(qiáng)的紫外輻射，因此冻辩，顏色顯得很藍(lán)猖腕。光學(xué)輻射是偏振的，具有非熱輻射性質(zhì)恨闪。另外倘感，類星體的紅外輻射也非常強(qiáng)。

類星射電源結(jié)構(gòu)多數(shù)呈雙源型咙咽，少數(shù)呈復(fù)雜結(jié)構(gòu)老玛，還有少數(shù)是致密的單源，致密源通常與光學(xué)源重合钧敞。

類星體一般都有光變蜡豹，時(shí)標(biāo)為幾年。少數(shù)類星體光變很劇烈溉苛，時(shí)標(biāo)為幾個(gè)月或幾天镜廉。類星射電源的射電輻射也經(jīng)常變化。觀測還發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)“雙源型”類星射電源的兩子源愚战，以極高的速度向外分離娇唯。

類星體的發(fā)射線都有很大紅移。如果紅移產(chǎn)生于宇宙空間膨脹效應(yīng)寂玲，按照紅移量來計(jì)算塔插，大部分類星體都處在100億光年之外，其中有40個(gè)左右距離地球超過127億光年拓哟。

類星體奇異的特性想许，給天文學(xué)家?guī)砹撕芏嗬_，其中主要困擾之一是類星體的“能源困難”。

能源困難

20世紀(jì)20年代伸刃，哈勃等人發(fā)現(xiàn)星系的光線普遍具有紅移谎砾，而且紅移量與星系的距離成正比的哈勃定律后逢倍，人們就用紅移值計(jì)算遙遠(yuǎn)星系和類星體的距離了捧颅。但是，由紅移值推導(dǎo)類星體的距離较雕，卻出現(xiàn)了一個(gè)尖銳的矛盾：類星體的紅移量異常之大碉哑，如果按照紅移量來計(jì)算，則絕大多數(shù)類星體必定正在以每秒幾萬千米亮蒋、十幾萬千米扣典，甚至接近于光速的巨大速度退離我們而去。按照宇宙誕生的時(shí)間慎玖，倒推它們的距離贮尖，這些類星體與我們必定遠(yuǎn)達(dá)幾十億光年，高紅移的類星體距離地球可達(dá)到100多億光年以上趁怔。而它們的尺度比星系小很多湿硝，但釋放的能量卻是星系的千倍以上，它們超常的亮度使其光能在100億光年以外的距離處被觀測到润努。正是由于類星體如此遙遠(yuǎn)关斜，又顯得相當(dāng)明亮，才導(dǎo)致其產(chǎn)能率高到令人困惑的“能源困難”铺浇，同時(shí)也引發(fā)了天文界探索類星體本源的熱潮痢畜。

類星體本源假說

在類星體發(fā)現(xiàn)后的二十余年時(shí)間里，人們對這一奇特天體的本源眾說紛紜鳍侣，陸續(xù)提出了各種假說模型丁稀，試圖解釋類星體的能源疑難，比較有代表性的有以下幾種：

黑洞假說：類星體的中心是一個(gè)巨大的黑洞倚聚，它不斷地吞噬周圍的物質(zhì)线衫，并且輻射出能量。

白洞假說：與黑洞一樣秉沼，白洞同樣是廣義相對論預(yù)言的一類天體桶雀。與黑洞不斷吞噬物質(zhì)相反，白洞源源不斷的輻射出能量和物質(zhì)唬复。

反物質(zhì)假說：認(rèn)為類星體的能量來源于宇宙中的正反物質(zhì)的湮滅矗积。

巨型脈沖星假說：認(rèn)為類星體是巨型的脈沖星，磁力線的扭結(jié)造成能量的噴發(fā)敞咧。

近距離天體假說：認(rèn)為類星體并非處于遙遠(yuǎn)的宇宙邊緣棘捣，而是在銀河系邊緣高速向外運(yùn)動(dòng)的天體，其巨大的紅移是由和地球相對運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)引起的休建。

超新星連環(huán)爆炸假說：認(rèn)為在起初宇宙的恒星都是些大質(zhì)量的短壽類型乍恐，所以超新星現(xiàn)象很常見评疗，而在星系核部位的恒星密度極大，所以在極小的空間內(nèi)經(jīng)常性地有超新星爆炸茵烈。

恒星碰撞爆炸：認(rèn)為起初宇宙較小時(shí)代百匆，星系核的密度極大，所以常發(fā)生恒星碰撞爆炸呜投。

活動(dòng)星系核

20世紀(jì)90年代中期加匈，隨著觀測手段的進(jìn)步，類星體的一些謎團(tuán)開始逐漸被揭開仑荐。其中一個(gè)重要的成果是觀測到了類星體的“宿主星系”雕拼，并且測出了它們的紅移值。證明類星體是生存在某些星系之中的星核部分粘招，但由于類星體的光芒過于明亮啥寇，而宿主星系又相對暗淡，所以此前宿主星系并沒有被人們探測到洒扎。直到在望遠(yuǎn)鏡上安裝了類似觀測太陽大氣用的日冕儀一樣的設(shè)備辑甜，遮擋住類星體明亮的光，才觀測到了它們所處的宿主星系逊笆。

現(xiàn)在科學(xué)界已經(jīng)逐步達(dá)成共識栈戳，認(rèn)為類星體實(shí)際是星系一級的天體活動(dòng)劇烈的核心部分（活動(dòng)星系核）。而在這一時(shí)期难裆，“賽弗特星系”和“蝎虎BL”天體被證實(shí)為是活動(dòng)星系核子檀，因此一種試圖統(tǒng)一射電星系、類星體乃戈、賽弗特星系和蝎虎BL天體的活動(dòng)星系核模型逐漸受到普遍認(rèn)可褂痰。

這個(gè)模型認(rèn)為，在星系的核心位置有一個(gè)特大質(zhì)量黑洞症虑，在黑洞的強(qiáng)大引力作用下缩歪，附近的塵埃、氣體以及一部分恒星物質(zhì)圍繞在黑洞周圍谍憔，形成了一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的巨大的吸積盤匪蝙。在吸積盤內(nèi)側(cè)靠近黑洞視界的地方，物質(zhì)掉入黑洞里习贫，伴隨著巨大的能量輻射逛球，形成了物質(zhì)噴流。而強(qiáng)大的磁場又約束著這些物質(zhì)噴流苫昌，使它們只能夠沿著磁軸的方向高速噴射颤绕，通常是與吸積盤平面相垂直的方向。觀察者觀測活動(dòng)星系核的視角有所不同，活動(dòng)星系核則分別表現(xiàn)為類星體奥务、射電星系物独、賽弗特星系和蝎虎BL天體。

按照這一說法氯葬，類星體的能源困難挡篓，總算有了一個(gè)比較合理的解釋。但問題遠(yuǎn)沒有結(jié)束溢谤，因?yàn)橛^測顯示瞻凤，有些“雙源型”類星射電源的兩子源，和有些類星體的“噴流”速度存在超光速運(yùn)動(dòng)世杀。

超光速運(yùn)動(dòng)

觀測發(fā)現(xiàn)，一部分類星體是孤立存在的肝集，也有一部分是有分立的“子電波源”組成的瞻坝。奇特的是，一些類星體兩個(gè)“子電波源”的分離速度杏瞻，存在“超光速”運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象所刀。

由巨大天線陣（VLA）從1977年到1980年，以波長2.8cm的無線電波波段觀測結(jié)果顯示捞挥，3C 273射電源有兩個(gè)分立的“子電波源”浮创，其兩個(gè)“子電波源”之間的分離速度高達(dá)11倍光速。

另外砌函，還有一些類星體具有“噴流”結(jié)構(gòu)斩披，而測量得到有些類星體“噴流”速度也大大超越光速。

還記得上面這張照片嗎讹俊？這是2019年4月10日公開的首張黑洞照片垦沉，也就是大名鼎鼎的M87 *黑洞。按照紅移量推算仍劈，M87 *黑洞距離地球約5300萬光年厕倍，質(zhì)量為太陽質(zhì)量65億倍，位于一個(gè)直徑約為24萬光年的M 87星系中贩疙，它的質(zhì)量要比銀河系中心超級黑洞人馬座 A*大得多讹弯，因?yàn)槿笋R座 A*黑洞只有太陽質(zhì)量的400萬倍。

而現(xiàn)在這個(gè)黑洞再次引起了科學(xué)家的注意这溅，是因?yàn)榭茖W(xué)家觀測到它在瘋狂地噴出極快的射流组民，以接近光速在外太空中行進(jìn)。根據(jù)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡用可見光和紅外光芍躏，對M87 *黑洞射流進(jìn)行了捕捉邪乍，合成圖片顯示，噴射流在外太空中延伸約5000光年，并且以99%光速速度向外繼續(xù)延伸庇楞，一部分射流速度看起來竟達(dá)到光速6.3倍榜配。

為了證實(shí)這一觀測結(jié)果，天文學(xué)家動(dòng)用了多種望遠(yuǎn)鏡吕晌，地面望遠(yuǎn)鏡陣列EHT蛋褥，還有錢德拉X射線太空天文臺，使用無線電睛驳，光學(xué)和X射線再次進(jìn)行了觀測烙心，得出該射流以99%光速在移動(dòng)，而其中一部分射流竟是光速6.3倍乏沸，另一部分射流是光速的2.4倍噴射而出淫茵。

這是一個(gè)與現(xiàn)代理論不相容的現(xiàn)象，根據(jù)愛因斯坦廣義相對論原理蹬跃，光速是物體運(yùn)動(dòng)速度的極限匙瘪，也是能量傳遞速度的極限，物體不可能有超越光速的運(yùn)動(dòng)蝶缀，這樣的觀測結(jié)果太不可思議了丹喻！得到如此結(jié)果，要么是愛因斯坦相對論錯(cuò)了翁都，要么就是我們對類星體距離和速度的推算方法出現(xiàn)了問題碍论，或者說是我們對類星體紅移的本質(zhì)理解出了問題。

類星體紅移之爭

人們對類星體進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)柄慰，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在紅移－視星等圖上分布毫無規(guī)律鳍悠。也就是說，人們觀測到的視覺亮度先煎，與它的紅移量之間的關(guān)聯(lián)雜亂無章：視覺亮度高的類星體贼涩，紅移量有的大有的小，視覺亮度低的薯蝎，紅移量也是有的大有的小遥倦。這與普通亮星系完全不同，普通星系規(guī)律性很強(qiáng)占锯，視覺亮度高袒哥，紅移量就小，視覺亮度低消略，紅移量就大堡称。

這時(shí)有人便轉(zhuǎn)而懷疑類星體是否真的那么遙遠(yuǎn)？用多普勒效應(yīng)來解釋類星體紅移是否合適艺演？就這樣却紧，“類星體紅移的本源”便成了當(dāng)代天文學(xué)中的一大疑團(tuán)桐臊。對此，天文學(xué)家有不同的意見和提法晓殊，如“宇宙學(xué)紅移”断凶、“非宇宙學(xué)紅移”、“速度紅移”巫俺、“局域多普勒紅移”认烁、“引力紅移”“內(nèi)稟紅移”、“本征紅移”以及“光子老化”等等介汹，大致上可分為宇宙學(xué)紅移和非宇宙學(xué)紅移兩個(gè)陣營却嗡。

有一部分天文學(xué)家認(rèn)為：類星體的紅移是宇宙學(xué)紅移，即紅移反映了類星體的退行速度嘹承，而且紅移和距離之間存在著哈勃關(guān)系窗价。其證據(jù)是類星體的物理性質(zhì)與某些活動(dòng)星系很類似，而這些活動(dòng)星系已被證明是滿足哈勃定律的赶撰。另外舌镶，已發(fā)現(xiàn)幾個(gè)類星體很靠近某個(gè)星系團(tuán)，或就在星系團(tuán)內(nèi)豪娜，這些類星體與它們所靠近的星系團(tuán)紅移近似相等。

持這一觀點(diǎn)的科學(xué)家認(rèn)為哟楷，類星體在紅移－視星等圖上之所以彌散瘤载，是由于類星體的絕對星等彌散太大，而不是因?yàn)楣刹怀闪ⅰ?br>

另外一部分天文學(xué)家則堅(jiān)持認(rèn)為：類星體的紅移不是宇宙學(xué)紅移卖擅。這種觀點(diǎn)所依據(jù)的觀測事實(shí)有：某些類星體和與它們紅移量相差很大亮星系之間鸣奔，存在一定的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性；某些類星體（如馬卡良星系205）似乎與亮星系之間有物質(zhì)橋聯(lián)系惩阶，但二者的紅移相差卻極大挎狸。

持這種觀點(diǎn)的人認(rèn)為：類星體可能是銀河系或者我們附近其它星系拋出來的，類星體紅移是多普勒紅移断楷，而不是宇宙學(xué)紅移锨匆。也還有人認(rèn)為，類星體紅移是大質(zhì)量天體的引力紅移冬筒。

除了上述奇特表現(xiàn)之外恐锣，人們還發(fā)現(xiàn)，有些類星體的光譜中舞痰，其吸收線的紅移與發(fā)射線的紅移互不相同土榴，而且不同的吸收線還有各不相同的紅移，即多重紅移响牛。這是一個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)玷禽，也許就是我們解開天體紅移之謎極其重要的“鑰匙”所在赫段。

類星體紅移真相

已經(jīng)得到確證的兩種紅移效應(yīng)是多普勒紅移和引力紅移，而宇宙學(xué)紅移矢赁，則是哈勃等人依據(jù)“星系距離越遠(yuǎn)糯笙，紅移越大”這一現(xiàn)象，提出的假說推論坯台。我們可以比照紅移機(jī)制進(jìn)行如下分析：

多普勒效應(yīng) 如果一個(gè)發(fā)光天體高速遠(yuǎn)離地球而去炬丸，發(fā)光天體的光線會變紅，人們稱之為“多普勒紅移”蜒蕾。多普勒紅移由法國物理學(xué)家斐索在1848年證實(shí)稠炬。

多普勒紅移沒有可能產(chǎn)生多重紅移的機(jī)制，無法解釋一部分類星體光譜中不同的吸收線有著各自不相同的紅移咪啡，即多重紅移問題首启。

宇宙學(xué)效應(yīng) 宇宙學(xué)紅移的機(jī)制為空間的膨脹。大爆炸理論認(rèn)為撤摸，宇宙正在以很高的速度膨脹著毅桃。光線離開發(fā)光體，在宇宙空間傳播准夷，傳播所用時(shí)間越久钥飞，空間的擴(kuò)展也越多，所以光被延伸的就越多衫嵌，紅移的值也就越大读宙。

如果宇宙果真在膨脹，就有可能造成多重紅移：遙遠(yuǎn)類星體的光線在到達(dá)地球之前楔绞，途中必然多次穿越星系附近结闸。光線首次進(jìn)入途中星系的氣體和塵埃區(qū)，會有部分波長的光子被吸收酒朵，光線便會攜帶一重吸收線桦锄。光線運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)星系的氣體和塵埃區(qū)域之前，要經(jīng)歷一定的時(shí)間蔫耽，在這段時(shí)間里结耀，由于宇宙膨脹機(jī)制導(dǎo)致光線被拉伸。當(dāng)光線再次進(jìn)入下一個(gè)星系的氣體和塵埃區(qū)域针肥，被吸收光子形成吸收線的紅移值會與前一次有所不同饼记。以此類推，多次進(jìn)出星系的氣體和塵埃物質(zhì)區(qū)域慰枕，就會造成紅移值不同的多重吸收線具则。

但宇宙學(xué)效應(yīng)無法解釋“子源”和“噴流”超光速問題：之所以科學(xué)家懷疑類星體紅移本源問題，正是因?yàn)轭愋求w有著巨大的紅移具帮，而根據(jù)紅移值計(jì)算出來的類星體退行速度非常大博肋，距離我們非常遠(yuǎn)低斋。在如此遙遠(yuǎn)的距離上，單位時(shí)間內(nèi)“子源”分離或“噴流”形成的張角大得超乎想象匪凡，也才導(dǎo)致了無法解釋的“超光速運(yùn)動(dòng)”問題膊畴。

對于“子源”分離速度問題，有人提出病游，可以用“探照燈”效應(yīng)來解釋：“子源”不是實(shí)體物質(zhì)唇跨，而是類似探照燈打在天幕上的虛影。類星體中心黑洞兩極的輻射就像探照燈衬衬，探照燈照射在天幕云層上形成的虛影买猖，探照燈有微小轉(zhuǎn)動(dòng)，天幕上的虛影就會高速移動(dòng)滋尉。只要天幕足夠遙遠(yuǎn)玉控，轉(zhuǎn)動(dòng)探照燈，天幕上虛影的運(yùn)動(dòng)速度就能形成超越光速的假象狮惜。這一解釋似乎可以講得通高诺，但這種理論對于實(shí)體物質(zhì)構(gòu)成的“噴流”也具有超光速運(yùn)動(dòng)就無能為力了。

但是碾篡，如果真如有的科學(xué)家懷疑的那樣虱而，類星體紅移是由于引力機(jī)制造成的，而不是多普勒機(jī)制或者宇宙學(xué)機(jī)制造成的开泽，類星體與我們的距離薛窥，沒有人們利用紅移量估算的那么遙遠(yuǎn)，也就不存在“超光速運(yùn)動(dòng)”了眼姐。

如上圖所示：O點(diǎn)為觀察者所處的位置，A點(diǎn)是類星體實(shí)際所處的位置佩番，OA是類星體與我們的實(shí)際距離众旗，AB是類星體子源分離(或噴流運(yùn)動(dòng))的實(shí)際距離。

如果是因?yàn)椤肮伞钡恼`導(dǎo)趟畏，根據(jù)紅移量推算出來距離就成了OA’贡歧，OA’ 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于OA。這樣一來赋秀，我們會誤認(rèn)為類星體子源分離(或噴流運(yùn)動(dòng))的距離為A’B’, A’B’遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AB利朵。我們因此計(jì)算出來類星體子源分離(或噴流運(yùn)動(dòng))的速度就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際速度，出現(xiàn)了超光速的結(jié)果猎莲。

引力紅移 引力紅移是愛因斯坦相對論預(yù)言的一種“紅移”效應(yīng)绍弟，也被稱作“相對論性效應(yīng)”。當(dāng)從遠(yuǎn)離引力場的地方觀測時(shí)著洼，處在引力場中的光源所發(fā)射出來光線樟遣，其波長會變長一些而叼，也就是“引力紅移”。引力紅移已經(jīng)得到實(shí)測證實(shí)豹悬。

現(xiàn)已基本確認(rèn)類星體是遙遠(yuǎn)星系的“活動(dòng)星系核”葵陵，星系核中心附近存在高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤，吸積盤物質(zhì)高速摩擦碰撞產(chǎn)生能量輻射而發(fā)光瞻佛。由于發(fā)光物質(zhì)非惩迅荩靠近星系核中心，由于星系核巨大的引力伤柄，光線從這些發(fā)光物質(zhì)發(fā)出時(shí)绊困，本身就具有巨大的引力紅移。

類星體發(fā)出的光線，射向途中星體的部分會被星體阻擋或吸收阅束。只有穿越途中星體間隙的部分光線蜕该，才能夠到達(dá)地球，這些光線到達(dá)地球川梅，必定要多次斜穿引力場。

如果光線斜穿引力場然遏，也會導(dǎo)致紅移增加贫途，類星體紅移的本源也許就此能夠解開，宇宙學(xué)上困擾人類多年的許多難題也將揭曉待侵。只不過我們現(xiàn)在流行的宇宙理論就要壽終正寢丢早，我們需要重新構(gòu)建一套新的宇宙理論了。

光線斜穿引力場是否導(dǎo)致紅移增加秧倾，涉及到萬有引力的產(chǎn)生與時(shí)空扭曲問題怨酝，我們將在此后《萬有引力的產(chǎn)生》和《物質(zhì)與時(shí)空扭曲》兩個(gè)章節(jié)進(jìn)行探究。