Science 版 (精华区)

发信人: ignorance (孤独一剑), 信区: Science
标  题: 宇宙形成之初的景象 
发信站: 紫 丁 香 (Mon May 11 16:12:52 1998), 转信

发信人: Bob (Dinosaur), 信区: Physics 
标  题: 宇宙形成之初的景象 
发信站: 空间科学BBS站 (Sun May 11 02:11:13 1997) 
 
    我们往往以为，要看到过去， 就必须乞灵于时光隧道旅行。 其 
实，这是误解：由于光的传递需要时间，所以只要在晚上仰望穹苍， 
那么所见从远距离来的星光就已经是过去的景象。例如银河系核心离 
太阳大约3万光年，因此目前所见的银核光谱是在3万年前，亦即新石 
器时代出现之前的情况；同样， 距离为5，000万光年的M87星云在望 
远镜中所显示的，则是5，000万年前，即远在人类出现之前，甚至非 
洲和南美洲大陆板块还未分离之时的景象。两年之前，我们曾在本栏 
报导，对一个约16亿光年之遥的星云的观测显示，在16亿年前宇宙的 
背景温度高达7.4 K，远远超过目前银河系附近的2.7 K①。 
 
    宇宙从「大爆炸」（the big bang）形成至今， 年龄估计约130 
亿年左右。 那么有没有可能观察更遥远，譬如说100亿光年以外（亦 
即100亿年以前）的天体，以测定宇宙混沌初开之时的景象呢？ 以沙 
弗（P.A.Shaver）为首的一组英国天文学家最近证实，“类星体”在 
远距离开始变得稀少，到了相当于宇宙年龄6.5%左右那么远的距离， 
它就根本不存在了②。类星体是星云互相碰撞或者星云核心塌缩而产 
生的异常规象，因此必须先有星云才会有类星体出现。但早期宇宙是 
一个高密度而相对均匀的质球，它需要相当时间才会由于微细的密度 
涨落和重力作用而产生空间不均匀结构，亦即前星云结构。所以，在 
宇宙早期类星体不可能存在。沙弗的研究结果，多少从实际观测上证 
验了这一构想。 
 
    其实，在过去二十年间，已经有不少这一方面的工作，但都受到 
下列问题困扰：远方星云（包括类星体）以极高径向速度运动，且速 
度与距离成正比──这就是由于大爆炸而造成所谓宇宙膨胀。这径向 
速度造成了星云光谱的红移（见方块中的解释），但那同时又使得星 
云所发的光变为红光，从而论弥漫在星云之间的微尘吸收。因此，见 
不到极遥远的类星体很可能是由于上述吸收作用造成，而并非其不存 
在。 
 
    沙弗等人解决这个问题的关键在于：大部分类星体会同时发出可 
见光和无线电波，可见光的红移程度是测定距离所必须的，但它可能 
被微尘吸收，而无线电波却不会被吸收。因此，倘若能为每一个可能 
是类星体的无线电源找到相应的可见光源，并且由是确定其距离，那 
么就可以有信心确定最远的类星体距离有类星体（quasars）是 1968 
年发现的特异天体。令人惊诧的是，它亮度（luminosity，即每秒所 
发出的幅射能量）极高，相当于甚至超过整个星云（每一星云包含10 
的9次方至10的11次方颗星）。 亮度是这样推算的：由于类星体的谱 
线显示了极高的红移系数z，由是可以推断它有极高的后退速度； 但 
根据哈勃定律，星体的距离与后退速度成正比，因而又可以推知它有 
极远的距离，并且因而可以从它的表观（apparent）亮度算出它的惊 
人 本有（intrinsic）亮度。 另一方面， 类星体显示出极迅速的闪 
烁。也就是说，它可以在几秒钟之内，大幅改变亮度。由于合它表面 
任何两点产生同步变化的讯号不能快过光速，所以又可以从它闪烁的 
特徵时间估计它表面直径的上限。这样，就发现类星体的表面积远小 
于星云，只和一颗恒星相若。其所以称为类星体，就是由于其亮度近 
于星云，大小则像恒星，所以无从简单判断其性质和构造。 
 
    类星体的本质，曾经今天文学家长期感到迷惑。现在他们多少趋 
向于同意，类星体是所谓活跃星云的核心，亦即是由于星云相撞或者 
其中心由于重力塌缩而形成巨大黑洞之后，又不断吸人大量物质所造 
成的现象③。类星体是宇宙进化的产物，所以它出现的高峰，集中在 
宇宙目前年龄大约20%，亦即宇宙形成之后大约25忆年的时代。 在这 
之后（也就是说，在较接近太阳的距离）类星体密度大大减少，那是 
早已研究清楚的；至于在此之前类星体密度的减少，则是本文讨论的 
题目。多远和属于甚么年代，而不必担心由于微尘的吸收而有所遗漏 
了。这一需要有系统和大量高度精密观测的工作，正就是沙弗小组最 
近完成的。 
 
    他们首先将整个南半球天空④所有已知具有类星体无线电波谱型 
的射电源加以精确定位， 然后在其位置一一寻找到了相应的可见 光 
源，并且辨明这些光源的形态、红移程度和距离。这样所得结果是： 
最遥远的类星体的红移系数是z = 4.46，那说明它发光的时间离宇宙 
形成之初只有89亿年，亦即目前宇宙年龄的6.5%左右。在更远的距离 
（相当于z>5和更早的年代）尽管还有许多其他发光星体， 但具有其 
特殊无线电谱型的类星体则并不存在。由是证明，早期宇宙是没有发 
射强无线电波的类星体的。他们并且认为，有理由相信同样结果还适 
用于所有类星体。 
 
    倘若这一结论可以站得住脚的话，那未我们对星云开始形成的年 
代也得到了一个估计，即不迟于大爆炸之后8.9亿年。 
 
    ①《二十一世纪》25，129（1994年10月）。 
 
    ①P.A.  Shaver  et  al， Nature  384， 439（5   December 
1996）。 
 
    ③有关类星体和星云核心黑洞的报导，见《二十一世纪》24，63 
（1994年8月）；25，130（1994年10月）和28，100 - 101（1995年4 
月）。 
 
    ④其实除去了若干难以清楚观测的部分，因此只有天空立体角的 
40%。 
 
【原载《二十一世纪》第39期】 
 

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              Yesterday, all my trouble seemed so far away             
                    Now, it looks as though they are here to stay      
                         Oh, I believe in yesterday !                  

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