中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第5章
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隔增大。想像我们站在其中一个硬币上。将看到每个其余硬币都离开我们远去，而且越远的硬币向远方运动得越快。这里完全类似于哈勃对实际星系观测到的情形。显然，无论选定站在哪个硬币上，出现的情况都完全相同，不存在特定星系，也不存在特定的宇宙中心。宇宙从无到有到胀大，恰似气球经历空间膨胀。
对星系的观测发现，离我们非常远的星系的红移（或相对于我们的退行速度）与其距离成正比例地增大。距离加倍给出的红移也加倍。可以表示成〃退行速度=H×距离〃。H是一个不变的数字，称做哈勃常数。H的准确值尚未取得一致认可，其数值大概为20千米/秒/百万光年。
有些科学家大胆想像了大爆炸以前发生过什么。X射线天文学家赫伯特·弗里德曼（Herbert Friedman）曾向我们提出对圣·奥古斯丁（St Augustine）的问题〃上帝创造天地前做什么〃作何评说。基督教教堂一位早期领袖随后回答说：〃他在为提出如此高深问题的人准备地狱！〃而科学家的回答是，大爆炸前发生过什么的问题本身没有意义。那里，就像还不存在空间一样，也不存在时间，历史时钟是与空间从无限小而且无限密的火球开始膨胀的同一瞬间启动的。我们只能测算宇宙膨胀的当前速率，以及推测那个宇宙创生时刻在多久以前。
总而言之，如果我们知道了其他星系对于我们星系远离得有多快，又知道了它们之间的距离有多远，就能估算出在多久以前它们都在同一个点的位置上。虽然可以从光谱测量直接了当地算出那个星系的退行速度，但测定它的距离却比较困难。尤其是对非常远的星系，其距离更难测量，那里不可能挑选出像赛弗特变星这样有用的距离标准。结果就在制作退行速度随距离变化的哈勃图时，形成不确定性因素，并带到当前的膨胀速率之中。不过，总是经常意识到存在着这些困难，有助于对这一常数做出较好的估算。天文学家算得宇宙年龄约在100亿年到200亿年之间。通过某些来龙去脉的联系，我们得出太阳以及我们地球的年龄约有45亿岁。
宇宙年龄是有限的，这就解决了一个在天文学中已知的非常古老的问题——奥尔伯斯佯谬（Olber's Paradox）。简而言之，该佯谬思虑的问题是〃为什么夜空是黑暗的〃。我们将认识到，如果宇宙无限大而且无限老，则夜空就不应该是黑暗的。约在19世纪60年代德国天文学家奥尔伯斯重新讨论这一问题后，该问题被命名为奥尔伯斯佯谬。早在17世纪，即牛顿和开普勒时代，或许就初次提出了这个问题。
牛顿对宇宙的看法是，所有天体都是静止的，空间范围无限大。他是当时这个流行观点的伟大信仰者。他认为，这种观点对他提出的新万有引力理论是必需的。如果宇宙不是无限大，对全部物质来说必定会有中心和边界，重力势必把物质引向中心。结果最后会合并成一大块单独的物质。但是，由于每颗恒星都经受着来自四面八方的引力，所以没有出现那样的尴尬结局。
J·开普勒（Johannes Kepler）是17世纪的著名天文学家，他去世后没有几年，牛顿就出生了。开普勒曾有个不同观点，认为假如宇宙的范围无限大，就会在天空的任何部分都能见到恒星。天空将找不出黑暗空隙，夜空会变得十分明亮。那么，夜晚的天空是黑暗的，就是一个佯谬。开普勒利用这个佯谬，为宇宙不是无限大争辩。在19世纪60年代，包括奥尔伯斯的其他人的看法是，从非常远的恒星发出的光，已经被广阔空间中的尘埃区遮蔽。大爆炸理论却提供了与此不同而又十分简单的解释。如果宇宙的年龄只有150亿岁，则我们不可能看到距离比150亿光年更远的恒星。光速是有限的，这些恒星发出的光还没有足够的时间抵达我们这里。还用气球作类比，气球表面上可能分布着离我们比150亿光年更远的星系，但是我们看不到它们。因此，夜晚的天空是黑暗的。要实现无月之夜星空亮到户外能开始阅读报纸，需要等待到宇宙年龄更老更老之后。计算表明，当我们能看见1亿亿亿光年远处的恒星时，夜空才会变成白昼似的明亮！
火球的冷却遗迹
大爆炸理论从1946年提出后的20年间，只不过是许多宇宙学理论之一。然而，到了60年代中期，由于以到处弥漫的微弱辐射场形式存在的原始火球遗迹的发现，大爆炸理论跃升到显赫地位。出人意料的是，这种微弱辐射对最强大的宇宙射线竟具有巨大影响。对此，本书稍后将进行讨论。
1965年，美国AT&T贝尔实验室的A·彭齐斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）正在使用巨型微波天线对来自天空的无线电干扰源进行研究。他们的研究计划是，使用这台天线系统把电视和无线电信号转播到卫星，以便实现横跨大西洋的信号传输。作为工作的一部分，彭齐斯和威尔逊引用来自银河系的无线电信号进行把天线灵敏度尽量提高的研究，因为此处的背景能对通讯发射构成威胁。他们发现，无论指向什么方向，接收器总收到一个持久的嘶嘶声，它是一个波长735厘米的微波信号。他们试用过各种除去这个噪声的办法。最初推测问题出在接收器上，有什么解释还能说明出现在所有方向上的同一个信号呢？他们用液氦冷却接收器部件和从天线喇叭里面清理掉鸽子粪便（彭齐斯把它称作〃可疑的白色介电物质〃）以后，烦人的嘶嘶声依然存在。
惟一的结论可能是，它是真的辐射，而且充满天空。贝尔实验室的这两位科学家赋予这种辐射的特性温度在25度到45度开尔文温标之间。换句话说，它是一种从其温度刚在绝对零度（0K＝…273℃，可能的最低温度）以上几度的物体发出的辐射。尽管极冷，辐射量却很大。彭齐斯和威尔逊计算出，人站在户外每秒钟会有1000万亿个这种微波光子打在头上！
也是在1965年，普林斯敦大学的一个理论物理学家小组，恰好也在进行AT&T天线站所做的工作。罗伯特·迪克（RobertDicke）和詹姆斯·皮伯斯（JamesPeebles）领导的这个研究组，对大爆炸模型很感兴趣，已在考虑用实验证实或打倒这个理论。伽莫夫和大爆炸理论的其他创始者曾认为，宇宙创始时的炽热火球遗迹现今也能检测到。当宇宙极早期很小很密的时刻，温度极高，飞行的光子在电磁频谱的X射线和γ射线范围。从那时起，随着宇宙膨胀空间在扩张，就像我们作类比的气球表面那样。空间扩张的结果是使光子的波长被拉长。波长拉长意味着光子具有较小的能量和较低的温度。
迪克和皮伯斯听到了彭齐斯和威尔逊的有关发现后就立刻进行联系。他们根据计算结果作出预报，由大爆炸存留下来的辐射遗迹当前具有恰好在绝对零度以上几度的特性温度。两篇论文，一篇由迪克和皮伯斯撰写，另一篇由彭齐斯和威尔逊撰写，几乎立刻同时完成。发表在1965年同一期《天体物理杂志》上。该项发现的新闻还登载在《纽约时报》首页上。彭齐斯和威尔逊说，直到这时他们才认清了所作观测的重大意义！后来两人共同获得了1978年诺贝尔物理学奖。
微波背景辐射的发现，把两三个竞争中的宇宙模型之一的大爆炸模型推进到首要地位。原始火球的纤弱痕迹的存在，为大爆炸理论增加了很重的分量，是火球解决了宇宙空间氦元素过剩的问题，这是20世纪四五十年代天文学家首先搞清楚的问题。恒星的确在核心中通过核聚变过程由氢合成氦，但是还有过多的氦不能用这个机制解释。宇宙开始创生的时刻，温度和密度类似于当前恒星内部的条件。所以，氦也必定在炽热的早期宇宙中到处都能产生，共同产生的还有微量的次重元素锂和铍。这些种元素同宇宙中其他元素，自膨胀开始就播种着第一代恒星与星系。
于是，大爆炸理论成功地解释了（或者说预言了）现代宇宙学的三大主要基石——宇宙膨胀，轻元素比率和微波背景辐射。多年来的各种观测，包括1992年COBE（宇宙背景探测器）卫星对微波背景辐射的精确测量，使大爆炸理论的地位越来越巩固。种种观测表明，宇宙背景辐射严格依照着理论预言的频谱非常均匀地分布在整个天空。已知这种辐射现今的特性温度是2。7，数值恰好在彭齐斯和威尔逊当初估算的〃棒球场〃内。
类星体与活动星系
宇宙是个极大的场所，用银河系的尺度（1000亿颗恒星聚集在8万光年直径的圆盘中）很难估量。据天文学家估计，在观测到的宇宙部分就有数百亿个星系！它们的尺度范围从麦哲伦云那样的恒星不规则聚集团块，到像我们银河系这样的旋涡星系，直到比银河系大十倍的巨型椭圆星系。除了用尺度外，还能根据它们强大的发射对星系分类，有些星系的发射强度远比数十亿普通恒星聚集起来大得多。它们极其巨大的能量输出使许多人想到，星系中心可能隐藏着超大质量黑洞。黑洞的无比巨大的引力是最显著的能量源泉。已知这类星系发出从无线电波到γ射线广大范围内总量极其巨大的辐射。对我们的论述尤其重要的是，据推测这些天体与最高能量宇宙射线的产生有关联。稍后再描述有关这些黑洞〃发动机〃的情况，这里首先按年代先后来讨论。全部各种星系的发现之中最让人迷惑的是类星体的发现。类星体研究是20世纪60年代的十年间的另一个研究热点。
1960年，在一次美国天文学会的会议上，A·桑德奇（Alan Sandage）报告了他对射电星3C…48的观测研究。这颗〃星〃是罗列在剑桥大学天文学家编制的第三射电源表（3C代表剑桥第三表）上的强射电源之一。桑德奇是在射电信号位置认证出可见光源的第一人（因此相应的光源称做光学对应体），桑德奇对看到的新现象深感困惑。不像许许多多其他3C天体，这个天体看起来的确不像星系。照相底片显示，这个类似恒星的天体有非常奇异的光谱，还包括桑德奇辨认不出从哪种元素或化合物发出的发射谱线！他把这项研究归入过于困难的一类存档放了两年。
同一时期，C·哈泽德（Cyril Hazard）领导的澳大利亚射电天文学家科研组，正对同一射电源表中的另一个源3C…273进行观测。由于早期的射电望远镜不能精密确定射电信号的天空坐标，没能找到这个射电源的光学对应体。碰巧1962年月亮从3C…273前面经过，哈泽德和他的合作者们准备好届时跟踪无线电信号的强度变化。这次〃掩源〃的准确时刻给出了这个射电源非常精确的位置，还显示该源实际上有两个发射点或叫做〃核心〃。两个核的发射一强一弱，距离间隔非常小，只有1/200度。哈泽德同他的研究小组仔细地对这一天区的照相巡天底片作了检查。在两个射电核心中较弱核心的位置上，他们找到一颗十分暗弱的兰星。
当时，哈泽德请求美国天文学家马丁·施密特（Maarten Schmidt）将200英寸帕洛玛光学望远镜瞄准这颗星。施密特能确认在另一个较强射电源核的位置有一微弱的发光喷流。这就足以证明它是一颗十分奇异的星！当施密特拍下它的光谱后，就更看到它的怪异。同两年前的桑德奇一样，他也发现其中有辨认不出的一组发射谱线。关于这些光谱他似乎觉得有点熟悉。距他的观测6个星期之后，好运终于落在施密特的身上。他省悟到那些谱线的样式很像氢的实验所测得的谱线图样，不过那些线条落在错误的位置上！波长全部向着光谱的红端位移了16％。施密特立刻认识到他的发现的重要含义。他回到家里并向家人说：〃今天，重大事件果真碰巧落到我的头上。〃
施密特确信，由于3C…273以巨大速度从地球向外逃离，于是形成了红移光谱。这颗星并非恒星，最大的可能是，它是一个具有宇宙膨胀所赋予的巨大退行速度的十分遥远的星系。16％的红移意味着它的速度高达光速的16％，或者说每秒48000千米！这个红移量级比以往见过的大得多，例如，哈勃和赫马森只见到大约接近1％的红移。施密特的同事杰西·格林斯坦（Jesse Greestein）立刻认识到，早先桑德奇测定的3C…48的神秘光谱也是同一类光谱，只是更加走向极端，其中谱线异常高的移动量竟高达37％。早先无人认识这些图样并不为奇。那样大的退行速度意味着什么，至今仍然令人们吃惊。根据哈勃的膨胀定律（退行速度对天体距离的关系定律），这个速度意味着该射电源在40亿光年以外。如此遥远的星系，怎么还能看起来像是天空最亮的射电源之一呢？
3C…48的射电亮度被查明有周期不到一天的变化。这个简单的观测结果引出一个难以相信的疑难，因为天体物理学中有一条规律，说一个天体其亮度的变化不能比光线横穿这个天体用的时间更快。这条规律能帮助我们想明白问题。想像某种天体的直径有10光日，假设从这个天体的所有地点同时发出无线电波，并想像这个天体是透明的，所以就能看见从天体上最远端发出的辐射。由于这个天体的大小是10光日，所以它远端发出的无线电波要比近端发出的无线电波晚到地球10天。换句话说，即便假定从这个天体的每个部分同时发出很短的辐射脉冲，例如只不过一秒钟的宽度，我们也将见到这个脉冲持续10天。如果这个天体释放的脉冲比10天更长，我们将看到它的真实持续时间，但是持续时间比10天短的脉冲都看不出来，只因为这个天体的大小有10个光日。因此，3C…48亮度变化的时间尺度只有一天就表明，该天体的发射区无疑很小，仅有一个光日的量级。显然这个发射区比我们太阳系大不了多少！
格林斯坦和施密特为有这些现象的源新造了一个名字叫做〃类星体〃，以表明它是类似恒星的天体。从20世纪60年代初以来，天文学家已经发现了数百个这种具有很大射电亮度和极远距离的天体。其中有些测得其距离超过100亿光年，每个的亮度相当于几百个星系。体积尺度只有我们太阳系这样大小的天体，如何能以如此巨大的能量发射，是30多年中天体物理学家们一直面对的挑战。
一些证据似乎引向这样的看法，类星体是中心藏有强大〃发动机〃的星系。这种发动机显然应该是一个许多种类型的辐射的发射源泉。横跨整个电磁波频谱，从无线电波直到γ射线，都观测到一些类星体。从我们的视角看来很重要的是，当前的类星体模型还表明，它们是强大的粒子加速器。类星体与银河系这样的星系确实差别很大。我们银河系也发出大量辐射，但距类星体的发射水准却相差极远。在一端是类星体另一端是银河系这样的星系之间，有一类星系在功率输出上填补了这个空隙。它们就是〃活动〃星系，它们虽不及类星体那样遥远，却另具突出特色。
二战期间，美国天文学家卡尔·赛弗特（Carl Seyfert）在编制旋涡星系表时，发现了第一例活动星系。他碰到的这个星系亚群现在称做赛弗特星系，它们显出有很亮很密实的中心核。赛弗特的光谱研究揭示出，一个赛弗特星系其亮度的大部分来源于中心处极热气体湍流云的急速运动。当前已经知道的赛弗特星系有数十个，其中最亮的与弱类星体能量输出接近。
另一类活动星系以著名的星系CenA（半人马座A）为代表，它是天空最亮的射电源之一，是早年澳大利亚射�
