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第14章 天文发现(10)

在探求类星体红移本原时,天文学家有不同的意见,于是出现不少说法,如“宇宙学红移”、“非宇宙学红移”、“速度红移”等等。遵循完全不同的思路,还先后有人用“光子老化”、“基本物理常数的变化”等越出传统物理学框架的大胆假说,来解释河外天体红移的本原。但是它们迄今尚未得到任何物理实验和天文观测事实的支持。总的说来,在现阶段,绝大多数天文学家认为类星体红移具有宇宙学本质。例如,按照一定的标准将类星体分类,将某一类类星体当作具有相同绝对光度的“标准烛光”,结果表明,它们大致遵循哈勃定律;又如已在几个星系团内各发现一个类星体,而这些类星体的红移与相关星系团的宇宙学红移相近等等。

但有不少天文学家,如美国的阿普认为,类星体红移具有非宇宙学的本质。而美国基特峰天文台台长伯比特则认为,类星体红移既有宇宙学红移,也有非宇宙学红移。

大部分天文学家根据类星体光谱线有较大的红移,认为类星体是相当远的天体。但是后来几位天文学家指出,至少有一些类星体距离地球比较近。他们的主要证据是在那里一颗类星体与一个多普勒位移小得多的星系有明显的联系。美国国家射电天文台的卡里利和他的同事,对上述令人颇感兴趣的失偕的类星体——星系样本进行研究。

更令人惊奇的是,类星体的速度居然超过了光的速度。1977年以来的发现证实,还是那颗3C273,它的内部有两个辐射源,并且它们还在相互分离,分离的速度竟高达每秒2880000公里,是光速的9.6倍。不仅如此,继此之后,人们还相继发现了几个“超光速”的类星体。简直不可思议!因为迄今为止地球上的人类普遍认为,光速是不能超越的,然而上述发现又是那样的奇特,不能不让人感到困惑不解。

新星的发现

光绪二十五年(1899年),我国山东福山一位著名金石收藏家王懿荣患了疟疾。那日他正准备煎药,忽然发现草药中有一小片异物,上面有奇怪的花纹,询问之下才知道这是“龙骨”。王是一个有心人,他把几包药都打开,把那些龙骨一一挑选出来进行研究。他又派人去药店查询龙骨的来历,几经周折,才知这些龙骨都出于河南安阳附近小屯村的地下,是当地农民翻地时无意中发现的。他们以为这些古时候的龟壳、牛骨可以医病,遂以低廉的价格卖给了药店。王懿荣问明原委,大喜过望,遂把店中所有龙骨全部买下以作研究。

因为他知道,安阳原是商代的京都。可惜王不久就谢世,他的收藏均为《老残游记》的作者刘鹗所得。从此,甲骨文重见人世,向人们吐出了殷商时代的许多秘事。

在这些甲骨片中,有很多涉及天文学的记载。如其中一块上刻有:“七月己巳夕丑,有新大星并火”,意思是七月初七那天,在红色的心宿二旁突然出现了一颗很亮的星。据考证,是公元前14世纪的天象记录,也是目前世界最早的新星资料。西方相应的最早记录是古希腊喜帕恰斯在天蝎座中发现的新星,据说喜帕恰斯正因为此而编制了西方最早的星表,以用此来检查其他天区是否也出现了这种“不速之客”。我国《汉书·天文志》上对喜帕恰斯发现的新星也有记录:“元光元年(公元前134年)六月,客星见于房”,而客星正是我国古代对新星的别称。

新星不是新出现的恒星,也不是来去匆匆的过客,而是自然界的奇迹。它在很短的时间内会像闪光灯那样发出耀眼的光芒。在闪亮前,它如同微弱的烛光,暗得肉眼无法察觉,所以人们对它熟视无睹,但一旦发亮,就像一盏探照灯那么引人注目,以致人们以为这儿出现了新的星星。

新星或者超新星的爆发是天体演化的重要环节。新星爆发的灰烬,是形成其他天体的重要材料,地球上的许多物质元素都来自那些现已消失的新星。

迄今为止,人们在银河系内已发现了大约200多颗新星。从它们的光谱观测中可知,它发亮是一种大爆炸,表面层物质被炸得四处狂飞——速度可达500~2000千米/秒,这个速度比人造星的运行速度(8千米/秒、)大60~250倍,被炸开、抛出的恒星物质有百万亿亿到亿亿亿吨,分别相当于几十到几千个地球的质量。粗粗计算一下这一下子放出的能量达1033~1038焦耳,或者说是太阳能量的百万到几亿倍。前面说过,太阳能量可与900亿颗氢弹相比,按此比例,新星爆发相当于顷刻之间引爆9亿亿到900亿亿颗大氢弹!因此它的亮度一般可在几天内增亮11等。如果说原来它是一颗连小望远镜也无法看见的12等星,则顷刻之间会变得如同织女星那般熠熠生辉。从光变的角度讲,它也是属于变星——爆发变星或激变变星。它在2~3天内迅速上升9个星等,稍稍“休息”一下,再冲上顶峰,又升高2星等左右(只有几小时到几天时间),之后,它慢慢回到原来状态,这需经历几年至几十年的时间。

新星为什么会突然爆发?20世纪50年代之后,人们发现1934年爆发的武仙DQ原是一对双星,这使人茅塞顿开。很可能,新星都是一种彼此靠得极紧的双星(称密近双星),其中一颗主星是温度较低的主序星(如K、M型星),旁边的伴星是光度很小、看不见的白矮星。白矮星的强大引力把主序星的物质吸引到自己温度极高的表面上,这些物质在向白矮星落下时,本身又有巨大的动能,于是当落下物达到一定数量时,白矮星表面上就能发生本该在恒星内部发生的热核反应,成千上万颗超级大氢弹引爆了,形成了新星的巨大爆发。

新星不仅出现在银河系,在其他星系中也时有发现,如仙女星系(M31,又称仙女大星云)中发现的新星数竟与银河系不相上下。另外在大麦云、小麦云及其他一些星系中也常常出现新星的爆发。据估计,仅银河系内,每年就有50颗新星爆发,仙女星系中约有29颗。由此看来,新星爆发是相当频繁的天象——只是由于大多数新星太遥远,即使爆发也很难察觉。

新星在爆发到最亮时刻,绝对星等平均为-7.3等。根据这个特性,人们只要抓住时机,测出该时的目视星等,就可像造父变星所用的公式那样,求出新星所在星系的距离来。

这种方法可比造父变星测得更远,因为它们比造父变星更加明亮。

超新星

超新星爆发与新星爆发不同,新星爆发后还可能再出现,而超新星爆发后,基本上整个星体将爆毁了,这就是恒星演化过程中的;另一种结局。虽然用望远镜可以观察到在遥远星系中每年平均有12次的超新星爆发,但历史上有记载的在银河系内的超新星爆发却只有6次,其中最有名的仅有4次。1006年(北宋景德三年)爆发的一颗超新星的景观最为精彩,它是在黄昏后不久,在夜空南方忽然出现一颗非常明亮的星星,最亮时像个月亮,在它的照耀下可以看书。这颗“小太阳”与月并存,夜复一夜照耀大地达数年之久,以后才暗到肉眼看不到它。我国古时候称这颗超新星为周伯星。《宋史·天文志》对它作了描绘:“景德三年四月戊寅,周伯星见,出戊南骑官西一度,状如半月,有芒角煌煌然可以鉴物。”

1054年的一颗在金牛座内的超新星爆发更为强烈,人们在大白天也能看到它的倩影。《宋会要辑稿》对它作了完整的记录:“宋,嘉祐元年三月司天监言客星没,客去之兆也,初至和元年五月晨出东方,守天关;昼见如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日。”

该景象持续了九个月后才变得肉眼看不见了。据此推断,该星比金星最亮时还要亮2个星等。1731年,英国一个天文爱好者在金牛座发现一星云,形如螃蟹,故称为蟹状星云,即梅西叶星云中的M1。起初,人们没有想到这只“螃蟹”与1054年的客星有什么联系,有趣的是,这只天上的“螃蟹”是活动的。1921年,美国天文学家邓肯(1882~1967年)等把相隔12年的两张蟹云照片加以比较后发现,蟹状星云在不断向外膨胀。观测表明,它大约以1100千米/秒的速度膨胀着。蟹状星云距离地球为6300光年,从而可推算出从蟹云中心膨胀到当时的程度大致需要900年左右,这与1054年观测到的超新星爆发至今的时间是一致的。

因此,1928年,哈勃首先作出科学的判断,蟹状星云是1054年超新星爆发后留下的遗迹。

由于蟹状星云发出的光要经过6300年才传到地球,所以严格说起来,这颗超新星不是在900多年前爆发的,而是在约7200多年前爆发的。这颗超新星对现代研究影响最大。目前蟹状星云大小为8.8×12.8光年,总质量为2~3M日,密度非常稀,温度为0.8~2.7万开。

1572年11月在仙后座中部出现一个白天也能看到的超新星,18个月内肉眼都可见到。《明史》和《明实录》均有关于它的记载:“当日而见,光叹异常。”当时万历皇帝亲自观看了它,又敬又惧。“上于宫中见之,敬惧,夜露祷于丹陛。”在欧洲,著名天文学家第谷(TyehoPrahe)也观测到了这颗超新星,所以在欧洲称为第谷超新星。1604年10月,蛇夫座又出现了一颗超新星,在欧洲称为开普勒超新星,肉眼可见12个月,亮度达到木星的程度。

由此可见,超新星爆发堪称是星空最壮丽的奇观之一。

一颗典型的超新星爆发时,在最初的10秒钟内所产生的能量将近等于太阳在100亿年内所辐射的能量的10倍多。由此可以想到,如果有一颗距离地球比较近的超新星一旦爆发,那么它对地球的影响将是巨大的,也许是灾难性的。最近美国芝加哥大学的施拉姆和欧洲核能研究组织的埃利斯认为,距今2.25亿年前,一颗和地球相距不到30光年的超新星爆发,导致了全球范围内大规模的生物灭绝。他们借助数学模型的模拟计算首次显示,这颗超新星爆发释放大量的高能丁射线,使地球大气同温层中的臭氧分解。地球失去了臭氧层的保护,动植物直接暴露于紫外线的辐射之下,植物很快凋谢枯黄直至死亡,动物失去了赖以生存的天然食物,终于遭到了灭顶之灾。根据考古资料的研究,科学家普遍相信自地球上开始出现生命形式的大约6亿年前至今,先后至少已经出现过5次大规模的生物灭绝事件,各次发生的大致时间分别是距今4.5亿年前、3.5亿年前、2.25亿年前、1.9亿年前和最后一次的6500万年前。其中6500万年前的恐龙绝迹最为著名,而后果最严重的是发生在2.25亿年前的那一次,据估计,这次事件曾使当时的95%物种消失。超新星爆发造成地球上生物灭绝的假说并非新鲜,但它以破坏臭氧层为中间过程却是首次问世。科学家如果能找到2.25亿年前大气臭氧含量减少在化石中留下相应的痕迹,不仅可证实上述的假设,而且还可敦促人类应该更加爱护臭氧层,切勿使它的含量降到危险的低水平上。

超新星爆发机制

既然超新星爆发是恒星演化中发生的如此惊人的现象,那么关于它的爆发机制及能量来源就是很值得研究的课题。

根据超新星的光度和光谱特征,超新星有两种类型:Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型超新星有相同的亮度随时间变化的特征(光变曲线);而Ⅱ型超新星的光变曲线之间的差别则相当大。Ⅰ型超新星的光谱中氢线较弱,因此被认为它含氢量低,主要由重元素组成,属于星族Ⅱ,质量大约为3—8M日。Ⅱ型超新星含氢量高,属于星族Ⅰ,质量一般大于8M日。它们的光谱也有很大的不同。Ⅱ型超新星在光极大处完全是连续谱,一星期后才出现很宽的发射带。此外,Ⅰ型超新星爆发规模相对来说比Ⅱ型的小。由于两种类型超新星爆发机制不同,按Ⅱ型超新星的爆发机制,爆发后会在其中留下一颗脉冲星;而Ⅰ型超新星爆发后,全部物质都将飞散,不会留下什么。近来发现1993J超新星是一颗比较特殊的超新星,它在初期呈Ⅱ型爆发特征,后来又转为Ⅰ型,可见两种类型的超新星有时没有严格的界线。

1.Ⅰ型超新星爆发机制

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