新浦京www81707con:来自哪里,银系在转动

新浦京www81707con 1塑造我们的宇宙的力量,并非只有引力一个。长久以来一直被人遗忘的磁场,或许也在其中起到了不可忽视的作用。图片来源:《新科学家》

暗物质是天文学家观测宇宙时发现的一种“暗”的物质。所谓“暗”的物质是指没有观测到这种物质任何的电磁辐射。我们知道,天文学家观测宇宙所通过的媒介是不同波段的电磁波,如图1所示,根据波长的不同,电磁波从波长最长的无线电波、微波、红外线、可见光到波长比较短的紫外线、X射线和能量最高的γ射线。现代的天文观测仪器发展迅速,在各个波段都有非常强有力的观测仪器,然而,所有这些强大的天文仪器都没有观测到暗物质所发射的电磁辐射,故而被称作暗物质。

在2013年,天文学家们精化了宇宙的组成和年龄,发现有一个气体云即将被我们银河系中最大的黑洞吞食,而在俄罗斯的上空则有一颗巨大的流星发生了爆炸。

  银河系转动吗?为了回答这个问题,先让我们来看看两种不同的转动方式。

(文/Katia
Moskvitch)每每谈到宇宙,引力就当仁不让。是它让我们的双脚牢牢地站在地上,也是它塑造了我们的宇宙。它使得气体云发生坍缩,进而形成恒星和行星。它孕育了星系中数千亿颗的恒星,也正是在它的作用下,星系聚集成了星系团,进一步又形成了超星系团。然而,在这场游戏中,引力并非唯一的玩家——还有一种力纵横于宇宙之间,它就是磁力。

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有了越来越大的望远镜和越来越先进的探测器,天文学家们就能获得越来越多有关宇宙以及其中天体的认识。在过去的一年中,有许多案例佐证了这一相关性。下面将列出由美国《天文学》杂志的编辑所评选出的2013年十大太空故事。(注:发刊时“嫦娥”-3号尚未发射。)我们不会忘记在这一年出现了两颗明亮的彗星以及百年一遇的流星爆炸——无疑对于空间科学而言,2013年是一个丰收年。

  一种是非常常见的所谓刚体式转动,像车轮、轴承、儿童乐园里的转盘车的转动都属于这种形式。刚体式转动的特点,是任何一点绕转动轴一圈所花的时间与其他点相同,因而离转动轴越远处转动的线速度(以“米/秒”为标准单位的速度)越大,它走的路程长于离转动轴近的地方在相同时间所走的路程。请你想象一下,你和另外两个人站在大转盘的任意三个位置上不动,那么当转盘分别以快速、慢速转动时,你看另外两个人和你距离变了吗?方位差变了吗?显然都没变,这是因为,刚体式转动中的任意两点之间的相对位置不变。

在接近真空的宇宙里,磁场可以延伸到非常远的距离,即便是星系间数十亿光年的广袤空间也不在话下。当然,这些磁场极其微弱。冰箱贴上磁铁的磁场,与银河系内外弥漫着的磁场相比,强度要高出100多万倍。这也许正是在宇宙学中磁场往往会被忽略的原因。毕竟,这么微不足道的东西怎么会影响整个星系呢?

图1.不同波长的电磁波辐射

2013年大部分的天文头条都涉及到了宇宙中最极端的天体和事件,例如黑洞、高能宇宙线以及宇宙的开端。不过,行星科学在2013年也不甘示弱。

  另一种转动方式是较差式转动,又叫开普勒转动,太阳系的九大行星绕太阳作开普勒转动:离太阳越远的行星转动周期越长。离太阳最远的冥王星转动一周约需248年,在这么长的时间里离太阳最近的水星已转了近
1000圈了。显然,这类转动中点与点之间的相对位置会因转动周期不同而发生变化。

然而,时代和观点正在发生改变。没错,引力把天体维系在了一起,但宇宙学中最关键的物理过程,从恒星形成到黑洞射出的高能喷流,都需要磁场的参与。“结果是,只要加入星际磁场的作用,之前天文学中许多的未解之谜,一下子就豁然开朗了,”澳大利亚悉尼大学的布赖恩·盖斯勒(Bryan
Gaensler)如是说。

那么暗物质又是如何被发现的呢?我们可以从太阳系中海王星的发现历史得到很多启发,从而更好理解暗物质的发现。自从牛顿发现了万有引力定律以来,天文学家成功地解释了大部分行星的运行轨道,如图2所示。然而,对天王星运行轨迹却不能得到令人满意的解释,它的运动规律和万有引力的预言有着明显的差异。法国天文学家勒维耶和英国天文学家亚当斯猜测太阳系中应该还存在一颗当时还没有发现的行星,这颗行星的引力使得天王星的运动偏离了原来预期的轨道。根据他们的预言,伽勒在1846年发现了这颗行星,即海王星。这个故事就非常像今天的暗物质,虽然我们没有观测到暗物质的任何电磁辐射,但我们却观测到了暗物质的引力对于其他可见物质运动的影响,这就是天文学家推断宇宙中存在暗物质的理由。

在你阅读完这份重要天文学发现的榜单之后,兴许就会明白它们上榜的理由了。

  回过头来再谈谈我们的话题银河系的转动吧。从稳定性来说,以扁平的银盘为主体的银河系应该有自转才能维持其长久的旋涡状态,所以有自转是肯定的,问题在于采取什么样的自转方式。如果银河系是刚体自转的,那么我们就看不出其他恒星绕银心的转动,因为恒星之间的相对位置因刚体式自转而无改变;如果银河系作开普勒式转动,恒星之间就应有相对运动,统计出恒星的自行就能证实这一猜测。1926年,瑞典的林德布拉德(B.Lindblad)证明了银河系有绕人马座方向的银心普遍自转;1927年,荷兰的奥尔特

对于更大尺度的宇宙而言,也是如此吗?星系以及更大尺度上的磁场之所以如此吸引人,是因为它们也许是大爆炸后不久发生的某些物理过程的遗存。另外,宇宙中大多数可见的物质都由带电粒子组成,它们的运动遵从于磁场和引力的支配。于是,这催生了一种诱人的可能性——从时间开始之初,磁场就在塑造宇宙的过程中扮演了关键的角色。

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10.黑洞会射出相似的喷流

黑洞具有极端的引力和密度,而它们周围的环境则为科学家们提供了天然的物理学实验室。这些致密的天体有着迥异的质量,从几倍到到几十倍于太阳的恒星质量黑洞,再到位于星系中心数百万到数十亿倍于太阳的超大质量黑洞。在黑洞的周围有着由高温气体所组成的盘而其中还夹杂着纠缠的磁场,沿着垂直于这个盘的方向会射出由近光速运动的粒子所组成的相对论喷流。尽管天文学家们还不确切知道到底是什么过程制造并驱动了这些喷流,但是有研究表明由喷流向周围环境所注入的能量与该黑洞的质量呈正比。

天文学家已经目睹了数百个因大质量恒星坍缩成黑洞而射出的喷流,被称为γ射线暴,以及数百个来自大型星系中心超大质量黑洞所射出的喷流,被称为活动星系核。他们也通过计算机对喷流的行为进行了模拟。新的研究所给出的信息将有助于科学家们搞清楚相对论性喷流产生的机制。

新浦京www81707con 49.“旅行者”1号进入星际空间

在就“旅行者”1号是否越过了太阳的日球层争论了1年之后,科学家们于2013年9月12日宣布位于126个天文单位(1天文单位等于地球到太阳的平均距离)处的“旅行者”1号已身处星际空间中。不仅如此,“旅行者”1号其实在2012年8月25日就已越过了这一边界。

太阳的磁场、粒子风以及辐射形成了一个可以阻挡银河系星际介质入侵的保护罩。位于这个日球层外围的则是终端激波和太阳风层顶。“旅行者”1号于2004年穿过了终端激波,“旅行者”2号越过终端激波的时间则在2007年。

在2012年7~8月,“旅行者”1号发现来自银河系的高能量宇宙线在增多,而来自太阳的粒子则在减少。不过,它并没有探测到磁场方向的变化——科学家们相信这是“旅行者”1号已越过太阳风层顶进入星际空间的确凿证据。由此,其团队一致认为它当时正处于一个过渡性的磁场通道中。

新浦京www81707con 58.解开辐射带的奥秘

地球的磁场可以阻拦来自太阳的高能粒子,把它们送入两个环绕地球的环状带中。其内带的范围是从距地表上方600千米到6,400千米,随着时间的推移它能维持相对稳定的形态。它的外部区域则始于地表之上约13,000公里千米处,可以一直延伸到64,000千米远;其形状和强度在几小时到数天的时间尺度上会发生变化。这些区域被称为范艾伦带,以1958年发现它们的科学家命名。

科学家们于2012年8月发射了两个范艾伦带探测器来对其进行研究,进而了解为什么被束缚在其中的粒子会具有这么高的能量。这两个完全相同的探测器在各自的轨道上绕地球转动,它们会经过范艾伦带中的不同区域进而比较和测量其中辐射的变化情况。在它们最靠近地球的时候,距离地表只有600千米;当它们距离地球最远时,可以达到37,000千米。

就在开始工作之后几天,这两个探测器就在两个范艾伦带之间发现了第三个辐射带。这一新的辐射带从2013年9月3日一直持续存在到了10月1日。当有物质从太阳上被抛射出时,它们会形成一道激波。当该激波击中地球磁场的时候,它会扰乱外部的范艾伦带,把粒子推送到第三个临时的辐射带中。由于能量太高无法被抛射或者散射掉,它们会逗留在新的辐射带中,自然而然地形成等离子体波。当太阳在4个星期后又产生了一波风暴之后,它就破坏了这个临时的辐射带。

新浦京www81707con 67.银心黑洞撕裂气体云

2011年底,天文学家们宣布,他们发现了一个质量仅相当于3个地球的特殊天体正在接近银河系中心的超大质量黑洞。这个天体当时似乎正在远离地球,径直朝银心黑洞人马A*冲去。

在测量了该天体的温度为550开之后,该天体被判定为一个气体尘埃云,称为G2,而非一颗恒星。(由于中央的核聚变,恒星的表面温度至少是这个数值的3倍。)科学家们计算发现G2会在2013年夏天最靠近人马A*。

人马A*在一个大小约为太阳18倍的区域中拥有约430万个太阳的质量。在这么小的区域中塞入这么多的物质会使得时空结构发生极端的扭曲,任何从这个黑洞附近经过的东西都会感受到它强大的引力。G2会从距离人马A*130个天文单位的地方经过,但后者的引力甚至远在这个距离之外就开始撕扯它了。如果它是一颗恒星的话,在整个过程中它自身就会具有足够的引力来让自己全身而退。

新浦京www81707con 76.“开普勒”失灵

2009年3月6日开普勒空间望远镜发射升空,旨在寻找太阳系外的类地行星。在近4年的时间里,它一直凝视着约160,000颗恒星,来探测它们亮度微小的降低。这些亮度的微小降低可能是由于一颗行星从其前方经过遮挡其光线所造成的,即凌星事件。在“开普勒”的数据中,科学家们已经发现了约3,500颗行星候选体,到目前为止已经确认了156颗行星。

遗憾的是,“开普勒”所收集的数据并不足以能提供更多有关太阳系外行星的深层次信息。2012年7月,它四个反应轮中一个失灵。反应轮至关重要,正是它保持着“开普勒”的精确指向。使用3个反应轮仍能让“开普勒”始终对准同一天区,但2013年5月又一个反应轮失灵。“开普勒”的科学家试图修复一个失灵的反应轮,但无济于事。2013年8月15日,科学家们宣布“开普勒”发现太阳系外行星的时日已经结束,他们正在考虑把它用于其他研究。

在“开普勒”失灵之前,天文学家们已经在它的数据中发现了多行星系统和地球大小的行星。他们还对所观测的恒星有了更多的了解。恒星亮度的变化并不一定都源自行星对其的遮挡。恒星黑子、恒星耀斑以及恒星内部的脉动也会导致其辐射的变化。利用“开普勒”的数据,通过研究这些振荡,科学家们测定了数千颗恒星的年龄和大小。

新浦京www81707con 85.彗星照亮夜空

人人都喜欢明亮的彗星。它在天空中会造就出梦幻般的景象,让整个世界为之敬畏,并为研究早期太阳系提供了一个实验室。相比任何天体,彗星能更有效地激发起大众对天文学的兴趣,这也使得在2013年出现的两颗明亮的彗星——全景巡天望远镜和快速反应系统彗星(C/2011
L4)和光科网彗星(C/2012 S1)——因此成为了全世界的人们竞相观看的目标。

虽然光科网彗星被誉为2013年的年度彗星,但占据2013年春季头条的却是另一颗彗星。它就是由全景巡天望远镜和快速反应系统在2011年6月5~6日发现的C/2011
L4,又称泛星彗星。2013年3月10日该彗星从距离太阳4,500万千米处飞过,当时南半球的观星者有着比北半球的更好的视角。泛星彗星的亮度最高达到了0.6等。虽然在夜空中是一个非常漂亮的天体,但它的亮度仍只有光科网彗星预期峰值的1/2,300。

2012年9月21日国际光学科学网络的40厘米望远镜观测到了一个暗弱的光点。进一步的分析确认它是一颗彗星,计算显示它会在2013年11月28日从距离太阳表面180万千米处——仅相当于太阳直径的1.3倍——飞过

大多数彗星都起源自奥尔特云,它距离太阳20,000~100,000个天文单位,含有数万亿颗彗星。当它们中的一个进入内太阳系时,太阳的辐射会使之升温,其所含的冰会直接升华成气体。随着其周围气体云——彗发——的膨胀,彗星就会增亮。

新浦京www81707con:来自哪里,银系在转动。光科网彗星会增亮到满月程度的报道很快不胫而走。然而,在其冲日前一个月,预测表明它的亮度将会达到-7.8等。虽赶不上满月,但仍将是黄昏天空中壮观的景象。这颗彗星此前从来没有接近过太阳,因此当时没有人知道它将会如何表现。它有可能会被太阳的引力瓦解,也许会奉上更令人印象深刻的表演。

无论如何,光科网彗星已经渗透进了媒体、科学家的讨论和普罗大众的心中。

  (H.Oert)利用观测资料推导出著名的银河系较差的自转的奥尔特公式。

不过,在确定这一点之前,我们还需要回答一些重要的问题:磁场究竟是在何时,以何种方式形成的?

图2.太阳系的行星结构

4.“好奇”号发现曾经宜居的火星环境

从工程上讲,2012年8月6日“好奇”号火星车登陆火星表面是一件非常复杂的事情。降落到这颗红色行星之上本身就是一个令人印象深刻的壮举,但接下去的事情则让人喜出望外。2013年2月8日它钻探了第一块岩石,采集了其中的物质样本并对它们进行了化学和矿物学分析。对钻探出粉末的矿物学分析发现了蒙脱石粘土,这佐证了火星早期拥有液态水的环境,而且这其中的水酸碱性都不高也不太咸。化学分析则检测出了生命所需的所有主要元素:硫,氮,氧,磷和碳。因此,凭借其钻取的第一个样本,“好奇”号就证明火星曾经拥有一个宜居的环境。

新浦京www81707con 93.尖端设备观测早期宇宙

约138亿年前,宇宙始于一个高温高密的状态,之后便一直在膨胀和冷却。在早期的宇宙中,电子、质子和光子会不断地彼此碰撞。在约37万年后,当宇宙冷却到了3,000开左右,电子和质子开始结合,由此光子可在宇宙中畅通无阻地运动。在这一“最后散射时刻”的物质分布会在漫天的辐射中留下印迹。天文学家可以研究这一宇宙微波背景辐射来了解宇宙,因为它是在光与物质分离时所形成的。

几十年来科学家们一直在分析宇宙微波背景这个宝库,每一架新的望远镜都能告诉我们更多有关宇宙的细节。最近,普朗克卫星对宇宙微波背景进行了测量,揭示了宇宙的特性。“普朗克”发射于2009年5月,在2013年3月公布了其第一幅全天宇宙微波背景观测结果图。根据这一观测结果,宇宙包含了4.9%的普通物质(如恒星,气体和行星),26.8%的暗物质以及68.3%的暗能量(驱动宇宙加速膨胀的神秘的力量)。

天文学家们还使用了“普朗克”的数据研究了宇宙的大尺度结构。宇宙微波背景中的光子需要花数十亿年的时间才能到达我们,它所经过的每一样东西的引力都会使得它的路径发生非常微小的弯曲。通过分析宇宙微波背景的这一“引力透镜”可以给出从最后散射时刻到现在宇宙中所有物质(包括普通物质和和暗物质)的分布。

新浦京www81707con 102.超新星加速宇宙线

1912年,物理学家赫斯乘坐气球飞到5,350米的高空,他发现在这一高度上的辐射比3,000米高的地方增加了4倍。这些宇宙辐射来自四面八方。在过去的几十年中,科学家们已经知道,宇宙线中的90%是高能质子,电子和原子核则占据了其他的10%。然而,要找到这些粒子的源头并搞清楚它们令人难以​​置信的能量来源则非常困难。

我们的银河系具有磁场,而宇宙线粒子都带有电荷——质子和原子核带正电,电子则带负电。当带电粒子在磁场中运动时,其路径会发生改变,因而很难追查其最初的源头。

但天文学家们另辟蹊径,发现了宇​​宙射线从何而来。一个快速运动的质子与星际气体中的一个质子发生碰撞会产生一个被称为中性介子的基本粒子。该粒子随后会衰变成2个γ射线光子,每一个都具有中心值在6,750万电子伏特的特定能量。γ射线光子是电中性的,因而不会受到磁场的影响。如果你能观测到特定能量的γ射线,那么你就找到了宇宙线。

天文学家们已在超新星遗迹中寻找了这些特定的辐射。在超新星爆炸中,恒星外部层壳的物质会飞离其核心,它们会压缩和加热周围的气体,形成激波。长期以来,科学家们推测,这些激波正是质子间频繁发生碰撞的区域,因此可能是超新星加速了宇宙线。但是一直没找到有关的直接证据——特定能量的辐射。

新浦京www81707con 111.俄罗斯上空百年一遇的火流星爆炸

2013年2月15日上午9时22分,俄罗斯车里雅宾斯克的宁静被骤然打破。就在此时有一颗直径17~18米的流星闯进了地球大气层。地球大气层的摩擦使之减速并升温,让它变成了一个发光的火球。约35秒后,这颗流星在海拔高度为23千米处发生爆炸。它所产生的冲击波震碎了窗户、触发了汽车报警器并且吓坏了地面上的数十万人。它所产生的碎片使得约1,000人受伤,所幸没有致命。

这一流星体沿着太阳的方向、以较小的14°角进入地球大气,因此几乎不可能事先预警。其爆炸所释放的能量相当于44万吨TNT炸药,其碎片则散落在几十平方千米的范围之内。对其碎片进行分析显示,它属于球粒陨石,是落到地球上最常见的陨石类型。

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  综合分析各种观测资料,得出银河系核球部分是刚体式的自转,核球以外就是较差自转。现在还测得太阳绕银心的转速为每秒250千米,又知道它离银心约3万光年,就是说它绕银心转一圈约需2.5亿年。

我们已经知道,磁场在我们地球附近起到了重要的作用。1835年,德国物理学家卡尔·弗里德里希·高斯(Carl
Friedrich
Gauss)借助系在一根线上的磁铁,首次测量了地球磁场。现在,对于太阳和地球如何产生各自的磁场,我们已经有了很好的认识。当地球外核中的熔融铁(或者太阳内部的等离子体)做切割磁力线运动的时候,会诱导产生电流。这些电流又会产生磁场,来补充业已存在的磁场。得益于这一发电机作用,微弱的“种子”磁场可以增长成强得多的磁场。

首先以太阳的运行为例。如图3所示,太阳到银河系中心的距离是2.8万光年,而绕银河系中心旋转一周所需的时间是2.3亿年。我们知道,要把太阳固定在这样的圆周运动的轨道上所需向心力和物质提供的引力相等。通过简单的计算就可以得到,产生这样的向心力需要太阳轨道内包含大约1011MSun的物质,而可以观测到的恒星和气体的质量只有大约几倍的109MSun。显然,还有更多的不可见的物质贡献了更强的引力,这个推断和当初推断天王星之外还存在着海王星的道理是一样的。如果不存在暗物质,那么向心吸引力就要弱很多,太阳的旋转速度也要相应小很多。

  银河系的中心

事情还不止于此。地球的磁场保护了臭氧层免受高能粒子的破坏,让我们的地球不会暴露在有害的紫外线之下。太阳的磁场也保护着我们,偏转了来自太阳系之外有害的粒子。在更大的尺度上,磁场甚至还有助于生命的起源。

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  银河系透镜状银盘的中心微凸部分就是它的核球,呈椭球形状,长轴4~5万光年,厚约4万光年。由于光学观测受星际消光的影响——银心及附近方向尤为严重,我们得到的关于核球的资料主要来自穿透力强的射电波段、红外波段观测,专用卫星上天还获得了X射线,γ射线观测资料。

然而,过去鲜有人预期,星际空间中会有磁场。第一个证据出现在1949年,当时美国天文学家约翰·霍尔(John
Hall)和威廉·希尔特纳(William
Hiltner)发现,有“东西”使得星光在飞向我们的过程中发生了偏振。结果显示,这样东西其实就是宇宙磁场,它们会使得星际尘埃颗粒像微小的罗盘指针一样整齐排列。盖斯勒说,这是一项惊人的发现。

图3.太阳绕银河系运动的参数

  关于银河系核球里的恒星是哪个星族的——是老年星还是青年星,尚未取得一致看法,但持“大爆炸”宇宙论观点的学者认为,既然银河系也在不断膨胀,那么越靠近银心也许带着越多的银河系形成的早期信息,因而研究银河系核球,也许能解答星系的起源问题。

自那时起,一系列的技术被研发出来,用以测量银河系以及近邻星系中的磁场。2011年,德国马普学会天体物理研究所的尼尔斯·奥珀曼(Niels
Oppermann)及其同事,绘制了迄今最好的银河系磁场分布图,揭示出磁力线沿着银河系的旋臂结构分布,还确认了银河系的总磁场强度只有几个微高斯(1微高斯
= 10-6高斯)——仅为地球表面磁场的十万分之一。

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  多种波段的观测虽还不能得出核球的物理状态和辐射机制,但已有了大概的了解。

天文学家相信,在类似银河系的旋涡星系中,磁场会通过一个“发电机”而被放大和维持。随着星系的自转,带电粒子会切割业已存在的磁场,使之进一步增强。“理论认为,星系诞生时伴有微弱得多的磁场,”
加拿大女王大学的天体物理学家拉里·威德罗(Larry
Widrow)说,“但这些作为发电机种子的微弱原初磁场,又是从哪儿来的呢?”

图4.M33的旋转曲线

  射电探测表明,离银心
3000秒差距处有一个正在膨胀而且旋转着的氢气环,它可能是0.3亿年前在银核的一次爆发中被抛射出去的。

最初的磁场

几十年来,科学家一直试图解开这个谜题,但他们的仪器设备还没有足够的灵敏度,来检验任何一个理论。

于是,有关的模型层出不穷。一种理论认为,最初的磁场由极早期的恒星产生,然后通过星风或者超新星爆发,扩散到了星际介质当中。另一种理论则认为,大约在大爆炸之后1亿年,当第一代星系形成时,位于其中心的超大质量黑洞产生了极强的磁场,之后被它强劲的喷流送入了星系际空间。一种新近的观点则认为,宇宙磁场可能是由年轻星系中的等离子体涨落产生的。只要你有了微弱的磁场,它就可以通过发电机效应被放大。因此星际介质(恒星间的气体和尘埃)的转动和湍动会增强最初的微弱磁场。在一颗恒星或者中央黑洞自转一周的时间里,这些过程可以让磁场的强度翻倍。和宇宙的年龄比起来,这些时间跨度是微不足道的,因此新生的磁场可以迅速达到可观的强度。

但问题是,果真如此的话,遥远年轻星系的磁场就应该比近邻年老星系的磁场弱得多才对。然而,天文学发现的大量证据表明,这些早期的星系中也存在着微高斯强度的磁场。于是,要么那里的发电机效应更强,要么磁场的种子就形成得更早,就形成于大爆炸之中。

新浦京www81707con 15澳大利亚的平方千米天线阵探路者(ASKAP)被用来寻找宇宙线中的电子绕磁力线运动所发出的射电波。图片来源:csironewsblog.com

图4所示是一个称作M33的星系中恒星绕星系中心旋转的速度随着到星系中心距离的分布,上边的曲线是观测到的速度,而下边的曲线是根据观测的可见物质预计的速度分布。我们看到,两者有着明显的差别,实际测量的结果要远大于计算结果,这表明还有不可见的物质增大了引力,这是天文学家推测暗物质存在最直接的观测证据。根据不同距离处旋转速度的大小可以推算暗物质的分布,因而我们可以得到如图5所示的银河系中的物质分布图。从图5可见,我们银河系的恒星大部分分布在一个很小的盘状结构中,这就是我们熟悉的银盘。在银盘外边包围着巨大的暗物质构成的球状的结构,称作暗物质“晕”。

  在椭圆核球中央的银核,范围大约在几个到几十个秒差距之间,而且银核内部可能还有内核,但详情我们至今仍一无所知。

时间之初

威德罗和他在美国芝加哥大学的同事迈克尔·特纳(Michael
Turner)在1988年提出了这一设想。他们认为,原初磁场是在大爆炸后不久形成的,之后经由宇宙超光速膨胀的暴胀阶段而放大。今天我们观测到的大尺度星系结构,便是由那个时期中能量的量子涨落而形成的。威德罗和特纳证明,暴胀也可以放大电磁场的涨落,让整个宇宙也弥漫着磁场。

为了使得这个想法奏效,他们不得不对描述电磁场的麦克斯韦方程组进行改造,引入了一种特殊的粒子,称之为轴子(axion)。威德罗承认:“这个想法很特别,并且在理论上困扰着粒子物理学家。”他们计算得出的种子磁场,强度为10-50高斯——这意味着必须要有一个强大的“发电机”,才能把磁场强度放大到今天我们观测到的数值。

不过,威德罗和特纳想法依然启发了其他许多人。“他们的理论首次提出了在暴胀中可以产生磁场的观点,”德国哥廷根大学的多米尼克·施莱歇(Dominik
Schleicher)说,“它标志着我们认识中的一块基石。”

2013年初,意大利巴里大学的物理学家莱昂纳多·坎帕内利(Leonardo
Campanelli)在不修改标准物理学的情况下,解释了这些涨落如何能够形成原初磁场。他使用了被称为重整化的数学技巧。粒子物理学家早已使用这一方法来消除会使得方程失效的无穷大。坎帕内利说:“之前没有人想到用重整化来处理原初磁场问题。”

他得到的原初磁场强度要高得多,达到了10-12高斯,仍然小于星系际空间观测到的10-6高斯。但是他说,随着第一代恒星和星系的形成,这一背景磁场足以被放大到今天的数值。

威德罗对坎帕内利的论文留下了深刻的印象。他说:“如果这篇论文中的计算是正确的,那么大尺度的磁场将会成为暴胀自然且意料之中的产物,无需对物理学规律做特殊的修改。”

其他人则对在暴胀或者其之后不久就产生宇宙尺度的磁场提出了疑问。这是因为,磁场有可能会在被称为“黑暗时代”的阶段中被几乎完全抹掉。

在最初的378000年间,宇宙的温度过高,无法形成原子,只有电子、核子和光子。这锅翻腾的带电粒子是放大暴胀时期形成的种子磁场的绝佳场所。

随着宇宙的膨胀,它逐渐冷却,使得质子可以俘获电子形成中性的氢原子。随着它们的结合,这些粒子会向宇宙释放出一波辐射——这就是宇宙微波背景(CMB)。

之后,宇宙就进入了黑暗时代,因为在这个时期,没有任何天体会发出光。那时唯一的辐射源就是氢原子,它会辐射出波长为21厘米的射电波。

对于宇宙磁场来说,它面临的主要问题是带电粒子数目的陡降。在黑暗时代中,对应于每10000个氢原子,只有1个自由电子或质子。由于磁场依赖于电子或者质子的运动,一些科学家认为,此时种子磁场可能会被抹去。

黑暗时代一直延续到宇宙中有第一批光源出现为止。随着恒星和星系的形成,它们会释放出巨量的辐射,将氢原子的电子剥离出去。这一再电离时期会持续大约10亿年,也意味着宇宙那时会充斥着有利于磁场的电子和质子。

我们还不确定宇宙磁场是如何应对这些纷乱年代的。然而,在不同的理论辗转了几十年之后,也许很快就会有答案了。

通过综合来自多架望远镜对宇宙历史不同时期的观测结果,天文学家将能够追踪磁场的演化。知晓宇宙早期的磁场强度以及它们的演化,将帮助我们限制磁场起源的模型。

根据英国曼彻斯特大学天文学家理查德·戴维斯(Richard
Davis)的说法,研究CMB的普朗克卫星兴许在2014年会给出对宇宙磁场的首个分析结果。如果宇宙年龄为378000年时确实有原初磁场存在,那么它们应该会在CMB中留下印迹。

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  银核内有银河系中最密集的恒星群,还有大量电离气体、尘埃。通过与仙女座星系的光学观测资料对比,可估计到,银核3秒差距范围内恒星总质量可能达千万个太阳质量,也就是说恒星密度高出太阳附近千万倍。而银核内电离气体的探测告诉我们,中央物质很密集,可能有300万个太阳质量。在这么小的核内存在这么多的物质,而且核又在绕银心作刚体式转动,电离气体也在高速转动,这些都表明中央物质不能以恒星这种形式存在,否则将因太密集而导致频繁的碰撞,以至无法稳定地维持下去。很有可能的是中央有一个大质量黑洞,X射线辐射似乎也认为其中包含着不寻常的天体。

整合望远镜

和“普朗克”的科学家一同作战的还有低频阵(LOFAR)的射电天文学家。LOFAR的天线遍及欧洲的5个国家。此外还要再加上位于澳大利亚的两台仪器设备——澳大利亚的平方千米天线阵探路者(ASKAP)和默奇森大视场天线阵——的天文学家。他们都在寻找射电同步辐射:由宇宙线中的电子绕磁力线运动所发出的射电波。

LOFAR是专门设计来测量长波辐射的,因此它可以探测较弱的磁场(例如星系间的磁场),研究磁场到底能从星系盘延伸出去多远。它还能探测早期宇宙中星系里的磁场。

作为ASKAP宇宙磁场项目的领导者之一,盖斯勒对于甄别哪些理论是正确的很有信心。他说,“两年内我们就会知道答案。”

德国马普学会射电天文研究所的赖纳·贝克(Rainer
Beck)说,如果他们在原星系中发现了强磁场的证据,这将会佐证磁场始于年轻星系中的激波波前或者等离子体涨落。然而,如果在星系核附近发现了最初的磁场,那就将支持早期恒星或者早期星系的发电机效应。

随着一平方千米天线阵(SKA)在澳大利亚和南非开工建造,更强大的观测能力也即将成形。由数千面射电天线构成的SKA将使得科学家能以10倍于今天的分辨率来研究磁场。SKA将在21世纪20年代初进行首次观测。它将探测宇宙再电离时期,搜寻出现在宇宙中的第一代天体。它也会用来搜寻宇宙的早期磁场。“SKA会让我们以前所未有的灵敏度来测量射电波的强度和偏振,”加拿大萨斯喀彻温大学的天体物理学家伊桑·维许尼亚克(Ethan
Vishniac)说。

贝克说,如果SKA发现在第一代天体周围存在强磁场,原初磁场理论就会得到支持。这将表明,磁场先于星系形成,可能会对星系的演化产生影响。在这一情况下,“普朗克”或者下一代CMB探测卫星将会有助于对其的研究。

新浦京www81707con 17一大批望远镜正在观测宇宙中久远过去的磁场,以便了解磁场的起源,以及它们对宇宙演化的影响。图片来源:《新科学家》

在10年左右的时间里,所有这些望远镜和卫星的观测结果将会重新绘制我们的宇宙图景。“针对星系演化的绝大多数气体动力学数值模拟都忽略了磁场,”美国哈佛大学的天文学家阿维·洛布(Avi
Loeb)说,“下一步的前沿是把磁场和宇宙线也包括进来,看一看对星系的影响。”

只有了解了引力和磁场如何操控宇宙,我们才会真正了解宇宙的运转方式。

 

编译自:《新科学家》,The forgotten force

图5.银河系的物质分布:普通恒星分布在盘状结构上,而暗物质则形成一个巨大的几乎球对称的晕状结构,称作暗物质晕。

  银盘

扩展阅读

新浦京www81707con ,以上所介绍的是通过星系中恒星的旋转速度判断暗物质的存在,是暗物质存在最直接的观测证据。其他天文观测还有许许多多,无不证实了宇宙中暗物质的存在,比如星系团中热气体的分布、星系团所造成的引力透镜效应、宇宙中微波背景的观测等均在更大的尺度上证实了暗物质的存在。今天,天文学家建立了一个“标准宇宙学模型”,这个模型中宇宙由68%的暗能量、27%的暗物质和5%的普通物质组成,可以成功解释几乎到目前为止所有的宇宙学观测现象,可以说是当前人类对宇宙的最新认识。

  银盘是银河系的主要组成部分,在银河系中可探测到的物质中,有九成都在银盘范围以内。银盘外形如薄透镜,以轴对称形式分布于银心周围,其中心厚度约1万光年,不过这是微微凸起的核球的厚度,银盘本身的厚度只有2000光年,直径近10万光年,可见总体上说银盘非常薄。

微弱的磁场催产生命

你需要1000万个银河系才能把一份购物清单吸到冰箱的门上,我们银河系的磁场就是这么微弱。但是它仍能对被称为宇宙线的带电粒子的运动产生影响,弯曲它们的轨迹,甚至可以把它们束缚在银河系中达数百万年。

美国哈佛大学天文学家阿维·洛布指出,如果没有磁场,宇宙线在形成后不久就会飞出银河系。其影响是深远的。他说:“宇宙线是银河系重要的成分。它们会电离原行星盘深处的气体。它们对于地球上生物体的变异也非常重要。总之,它们是生命的要素。”

的确,生命的出现可能是磁场偏转高能宇宙线的杰作。这些高能粒子似乎会在稠密的气体云中开启形成糖、氨基酸和生命所需其他物质的化学反应。尽管如此,我们仍不确定宇宙线起源自何方,因为磁场改变了它们的运动轨迹。洛布说,通过研究磁场,我们将会找到有关宇宙线起源的线索,并解开这个极其重要的谜题。

尽管大量的天文观测已经证实了暗物质的存在,但是,与发现海王星的过程不同的是,经过多年的各种努力尝试后我们仍然没有直接观测到暗物质的存在。暗物质究竟是一种什么样的物质呢?一般认为暗物质应该是由一种全新的粒子构成,它不同于我们已经了解的任何一种组成我们周围物质的粒子,目前我们所知道的它是稳定的、不带电的、运动速度很慢的粒子。然而,其具体的性质如何,比如其质量大小,其相互作用的性质等都无法确定。

  除了1000秒差距范围内的银核绕银心作刚体转动外,银盘的其他部分都绕银心作较差转动,即离银心越远转得越慢。银盘中的物质主要以恒星形式存在,占银河系总质量不到10%的星际物质,绝大部分也散布在银盘内。星际物质中,除含有电离氢、分子氢及多种星际分子外,还有10%的星际尘埃,这些直径在1微米左右的固态微粒是造成星际消光的主要原因,它们大都集中在银道面附近。

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物理学家也提出了许许多多的暗物质模型来解释暗物质的现象,然而,由于没有暗物质观测的直接数据,因而,不同的暗物质模型中暗物质粒子的性质相差非常大。在这许许多多的暗物质模型中,有一种被称为是“弱作用重粒子”的暗物质模型是目前研究最多的。这类模型的出发点是解释“暗物质在宇宙中如何产生”这个问题,这一模型认为暗物质应该和普通物质一样是在宇宙的极早期由高温高密的物质状态中产生出来的,这就和普通物质的产生是相同的过程。如果这一假设成立,研究发现当暗物质质量和相互作用强度和我们已经了解的弱作用类似,那么其在宇宙中所产生的密度就和今天我们观测到的密度相一致。由于这类模型能够解释我们观测到的暗物质在宇宙中的丰度,因而受到了极大的关注。目前大部分暗物质探测实验所要寻找的对象就是这种“弱作用重粒子”的暗物质。

  由于太阳位于银盘内,所以我们不容易认识银盘的起初面貌。为了探明银盘的结构,根据本世纪40年代巴德和梅奥尔对旋涡星系M31(仙女座大星云)旋臂的研究得出旋臂天体的主要类型,进而在银河系内普查这几类天体,发现了太阳附近的三段平行臂。由于星际消光作用,光学观测无法得出银盘的总体面貌。有证据表明,旋臂是星际气体集结的场所,因而对星际气体的探测就能显示出旋臂结构,而星际气体的
21厘米射电谱线不受星际尘埃阻挡,几乎可达整个银河系。光学与射电观测结果都表明,银盘确实具有旋涡结构。

当前探测暗物质主要包括三类实验方案,如图6所示。要探测暗物质粒子就需要探测到暗物质粒子和普通粒子的相互作用,只有通过对探测信号的分析才能了解图6中“未知相互作用”是什么样的。这种相互作用体现在三个方向上,从下向上,就是通过把普通粒子加速到很高的能量对撞产生出暗物质粒子,这就是对撞机探测,比如在欧洲核子中心的大型强子对撞机上进行的暗物质寻找就是这种探测方式。横向的方向表示一个暗物质粒子和普通粒子发生弹性散射,通过探测这种散射产生的信号寻找暗物质被称为暗物质的直接探测。从上向下的方向代表着两个暗物质粒子碰撞并湮灭而产生一对普通粒子,通过寻找这样的湮灭产物寻找暗物质粒子被称为暗物质的间接探测。

  银河系的磁场

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  我国古代劳动人民发明的指南针早就证明了地球的磁场,而银河系广阔空间的大尺度磁场的探测,则始于20世纪30年代,40年代证实了大尺度磁场的存在,60年代以后能进行可靠的测量。

图6.暗物质的三种探测方式

  磁场是物质存在的一种形式,但看不见、摸不着。不过,就像往上跳能感觉到无形的重力场把我们往下拉一样,也有办法让我们感到
(即证实)磁场的存在,比如用指南针。对于广阔的银河,指南针就派不上用场了,不过,来自银河系的宇宙线——主要成分是带电粒子和α粒子的各向同性,对银河系背景辐射的非热辐射性质的合理解释,许多弥漫星云具有纤维状结构而且外形呈平行于银道面的扁氏形、许多恒星光因为长条形星际尘埃的影响导致随距离而增大的微小偏振等等,都非常有力地证明了,银河系存在大尺度的磁场,其方向可能平行于银道面。

暗物质的直接探测就是寻找当暗物质粒子打到探测器后所留下来的信号,通常这个信号非常的微弱,而宇宙线的噪声信号要远大于暗物质的散射信号。因而,为了探测到这样微弱的信号,需要把探测器放在很深的地下实验室以把宇宙线噪声屏蔽掉。图7显示的是世界上地下实验室的分布以及每个实验室中所开展的暗物质直接探测实验。我国的四川锦屏地下实验室于2010年建成,是目前最深的因而也是宇宙线噪声最小的地下实验室,非常适于暗物质探测实验的开展,目前有两个直接探测实验正在锦屏地下实验室进行。不过,尽管直接探测实验已经开展了大约30年的时间,实验灵敏度有了巨大的提高,但是到目前为止,还是没有发现令人信服的暗物质散射的信号。

  要比较可靠地测量银河磁场的大小、方向,仅凭以上证据难以做到;不过,采取以下两种方法即可实现。

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  将辐射源产生的偏振辐射,通过平行于辐射方向磁场的星际介质,出来后偏振面会发生变化,叫法拉第旋转。转动的大小正比于磁场强度,因而在测定了前者的情况下就可能推出后者,即平行于辐射方向的星际物质磁场强度。这种方法叫法拉第旋转法,适用范围显而易见是星际物质。

图7.世界上的地下实验室分布和相应实验室开展的直接探测实验

  另一种方法利用的是塞曼效应——原子能级在强磁场中的分裂导致谱线发生分裂的现象,这也是测定恒星磁场的最基本方法。如果星际空间有磁场,那么就能测出其中大量中性氢的21厘米谱线的分裂,由分裂的大小可算出平行于视线方向的中性氢磁场。

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  用这两种方法得到的比较可靠的测量结果是:银河系的磁场平均强度约

图8.暗物质间接探测示意图

  -6为 1~3×10高斯,比由宇宙线、银河背景射电、星光偏振估计出的 1~3

暗物质的间接探测的原理如图8所示,即两个暗物质粒子碰撞后会发生“湮灭”而变成我们熟悉的夸克、轻子等粒子。这些不稳定的粒子会迅速衰变而成为稳定粒子,如正负电子、正反质子、中微子、光子等。间接探测即是通过寻找宇宙线中的这些信号来寻找暗物质。间接探测实验通常在地面和空间进行,地面的实验适合探测暗物质湮灭所产生的γ射线信号和中微子信号,但带电粒子会和大气很快发生反应,所以地面实验不是特别适合探测带电粒子信号。通常为了得到更加干净的暗物质湮灭信号,需要在空间开展实验,包括卫星实验和在空间站开展的实验。目前正在进行的空间实验有如下几个。Fermi卫星是美国发射的γ射线探测卫星,用来寻找暗物质湮灭所产生的γ射线信号。Fermi卫星2008年发射,至今已经运行了近10年,取得了大量的科研成果。然而,它却没有发现暗物质湮灭的信号,因而,给暗物质性质设置了非常严格的限制。另外两个实验PAMELA卫星实验和AMS-02国际空间站实验都带有磁场,因而能够测量带电粒子的电荷。它们主要是测量宇宙线中的反粒子,如正电子、反质子等,以寻找暗物质信号。最后一个是我国在2015年发射的暗物质粒子探测卫星“悟空”,它主要是通过探测暗物质湮灭所产生的电子来寻找暗物质信号。

  -5×10高斯的结果为低,而磁场的方向在旋臂区域可能沿着旋臂方向,其他区域则是紊乱的。

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  星系的发现

图9.几个空间的暗物质探测实验:AMS-02空间站实验、Fermi卫星、“悟空”卫星

  星系是一个宏大的天体系统,它包含了几十亿至几百亿甚至上千亿颗恒星及星际气体和尘埃,空间尺度达到几亿亿公里以上,实在是超级“庞然大物”。然而,人们直到20世纪初才真正发现它们。

近年来在暗物质探测方面一个重要的进展就是发现了宇宙线中存在正电子超出。PAMELA卫星在2008年发现宇宙线中正电子比通常宇宙线物理所预期的流量高出了许多,这多出来的正电子让科学家非常兴奋,认为有可能就是人们长期梦寐以求的暗物质信号。研究表明,暗物质湮灭的确可以完美解释这些多出来的正电子。但不幸的是,暗物质却不是唯一的解释。天文学家认为,银河系中存在一种称为脉冲星的天体,它是高速旋转的中子星。这种天体可以加速产生高能量的正负电子对并辐射到银河系空间,这类信号如果传播到地球上,就可以解释实验所观测到的多余正电子信号。AMS-02是由著名的华裔物理学家丁肇中教授所领导,安装在国际空间站上的大型实验装置。它更加精确地测量了宇宙线中正负电子的能谱,不但证实了PAMELA的观测,还在更大的能量范围和更高的精度上扩展了这一结论。但是,即使是AMS-02的结果也无法确认正电子的来源到底是暗物质还是脉冲星。图10中不同的曲线代表了不同来源的正电子,我们发现这些曲线都能够解释图中的AMS-02的数据点。要解决这个问题需要更大的探测器才可能完成。此外,AMS-02最近发表了反质子的测量结果,这个测量结果似乎在最高能量的地方和宇宙线的理论预期不符,即需要额外的反质子来源。如果这一结果将来被证实,这极有可能是暗物质湮灭的信号。但目前的实验数据仍然不足以确认这一结果。

  在生活中,我们有一个常识,一个物体离我们越近,就可看得越清楚,当物体逐渐远去,它的像也就逐渐模糊,那是物体对观察者来说张角逐渐变小的缘故。到一定距离,我们就看不见它了。星系虽然那么庞大,但它们离地球实在太远,就拿最近的星系大麦哲仑星云来说,它离我们16万光年,光年是光在一年中所走过的路程,光每秒钟可绕地球7个半圈。计算得出1光年是9万多亿公里,16万光年就约是150亿亿公里,因此,肉眼看上去,大麦哲仑星云就是一小片云雾状天体。

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  17世纪,望远镜发明了,这种神奇的仪器可使得物体对人眼睛的张角增大,让人可以看清更遥远的物体。用望远镜来观测天空,人们又陆续观测到一些云雾状的天体,开始,以为它们都是气体云,而且和恒星一样是银河系内的天体,并称之为星云。

图10.AMS-02观测的宇宙线中正电子所占比例和不同的理论模型解释

  不过也有人对此有不同看法,18世纪,德国的天文学家康德以及英国和瑞典的两位天文学家都猜测这些所谓星云是和银河系一样由恒星组成的天体系统,只是因为距离太远而分辨不出一颗颗的星来。如果把宇宙看作一个浩瀚的海洋,这些天体系统就犹如海中的岛屿,因而被形象地称为“宇宙岛”。

我国的“悟空”卫星就是希望能够在更高的能量范围内测量宇宙线电子的能谱(由于“悟空”探测器不带磁场,因而无法区分正负电荷,它测量的实际是电子和正电子加起来的能谱,我们统称为电子能谱),从而可以帮助研究宇宙线超出的正电子的来源。“悟空”的第一个实验结果在2017年底发表,这个结果是第一次通过空间直接探测,把宇宙线电子的能量测量到4.6TeV,并发现了能谱的“拐折”的结构,但是,这些还是不足以确认是否存在暗物质。寻找暗物质可能需要在更高能量及更高精度上进行研究。我国空间站的未来宇宙线实验HERD将可能在这方面取得重要的突破,为暗物质寻找提供更多的线索。

  随着望远镜越造越大,人们可以看到这些星云的更进一步的细节了,正如康德他们所猜测的那样,星云在望远镜中分离成了一颗颗暗弱的星星。但是问题并没有完全解决,那就是,它们是银河系内的恒星集团,还是银河系之外的天体系统呢?

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  根本的问题集中到距离上来了,可它们离我们十分遥远,通常所用的三角视差测距法已经无法测出它们的距离。1917年,美国的天文学家G·W·里奇在威尔逊山天文台所摄的一个星云照片中发现了一颗新星,因为新星极其暗弱,他认为星云应该极其遥远,是银河系之外的天体,但是给不出准确距离,无法让人信服。

图11.“悟空”的观测结果—高能电子能谱

  怎么办呢?难道人们在此困难面前真是束手无策吗?正是“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”,造父变星周光关系的发现为我们打开了新的途径,造父变星是一种脉动变星,天文学家发现它的光变周期与绝对光度有确定关系,大体上是接近于成正比的。光变周期越长,它的绝对光度就越大。测出了它的光变周期,就可以算出它的绝对光度,而我们看到星的亮度是与它离我们的距离的平方成反比的,从而由造父变星观测到的亮度和它的绝对亮度的比值就可以推算出距离来。

总之,暗物质问题是当前基础物理学研究中一个至关重要的问题,科学家为解决这一问题做出了不懈的努力。然而,这些探寻暗物质的工作,尽管取得了巨大的进步,获得了多方面的科研成果,却仍然没有找到确定的暗物质信号,暗物质之谜将继续存在并依然困扰着人们。可喜的是,我国科学家在这一领域虽然起步较晚,但已经取得了国际领先的成果,在不同暗物质探测方向上都显示了极强的竞争力。(本文选自《现代物理知识》2018年第2期,作者为中国科学院高能物理研究所研究员毕效军)

  1924年,美国的天文学家哈勃用威尔逊山天文台的2.5米大望远镜在仙女座星云,三角座星云和星云NGC6822中发现了造父变星,并且由周光关系算出了它们的距离,推出它们是银河系之外的天体系统,并称之为河外星系。到这时,星系才算真正发现了。

  奇怪的蝎虎座BL天体

  1929年用光学望远镜在蝎虎座天区发现了一个光度变化不规则的呈恒星状的暗弱天体,1968年被证认为射电点源VRO42·22·01的光学对应体,这就是蝎虎座BL天体。20世纪70、80年代又发现了100多个类似的天体,人们就把它们统称为蝎虎座BL天体,或BL
Lac天体。

  BL Lac天体的光学像与类星体一样类似于恒星,并且至今不能分辨它们的细节。它们都发出很强的红外辐射和射电辐射。并和光学辐射一样具有无规则的快速变化(光变在几天或几月之内成几倍地变化,甚至成百倍地变化,但射电光变和光学光变似乎相互独立),同样具有非热致谱(即辐射不同于黑体辐射)。其射电谱在厘米波段增强,谱线平甚至倒转。并且,所有波段都具有较其他活动天体更大的偏振度。在其具有的连续谱中找不到发射线或吸收线。

  由BL
Lac天体光变的时间知道其大小和太阳系尺度相当,但当天文学家设法在它的光谱中得到了一些特征谱线时,发现其红移在0.05~1.78,这样再根据哈勃的红移—距离公式可推算出它们远离银河系。现在大部分天文学家认为它们是一些活动星系核。所以这种处于剧烈活动中的微小天体竞释放

  41着相当于整个星系的辐射能量,高达
10焦耳/秒。这甚至比人类在类星体面前遇到的困难还巨大。

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