主题：【转帖】宇宙飞弹：天体物理学中的高能粒子

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，是早年澳大利亚射电天文学家发现的一个星系。

　　射电望远镜开始在世界范围使用的20世纪40年代，CenA几乎是第一个被发现的射电源。它所以会那样明亮其部分原因是由于距离较近，它就在我们"后院"，同我们的距离仅有1500万光年。通过光学望远镜来看CenA，看到它是一个巨型椭圆星系，一条粗大的尘埃带"走廊"从星系中心横过，遮蔽掉部分光亮。它的触目外观给予人们深刻印象。其实，它的真实景像只能在射电频谱中见到。能见到走廊两端有两个称为射电瓣的极强大的射电波源，更远处还有第二对瓣。实际上，外瓣距星系中心有100万光年那样遥远，CenA在射电天空要伸展到4度!CenA是第二类活动星系中首先被发现的成员，称做双射电源。射电天文学家在许多这类星系的瓣中发现了高强度节点和较低强度空洞形成的很多结构。跟有些较近的类星体类似之处是，在包括X射线和γ射线在内的其他波段也观测到一些这类双射电星系。

活动星系发动机

　　类星体、赛弗特星系和双射电源的中心区无疑存在着某种特殊的情况。这种特殊活动中心区，最近给予一个专用名称，叫做活动星系核，或写做AGN。AGN内部运行的机制是什么?假如把"效率"规定为，运行过程中对于给定输入总燃料能获得多少能量输出，则最有效的过程之一便是核聚变。这就是普通恒星的能源，这个主题我们留待下一章讨论。把相当于燃料质量的能量包括在能量之内时，聚变过程的效率为0.7%。恒星核燃料的这部分质量最后全都转化为能量。效率虽小但全部质量所提供的能量总量却非常巨大，这就是为什么科学家耗费数十亿美元试图模仿恒星聚变来建立发电站的理由。然而，在天体物理领域另有其效率至少还要大20倍的过程，不过用来在地球上建立发电站产生能量却很不实际。让我们从中子星开始举例说明。

　　中子星是从大质量恒星死亡时超新星爆发中形成的一种十分浓缩的天体。这种遗留下来的非常紧密的恒星核，它的典型质量比太阳略大，挤压在只有30千米直径的体积中。这意味着中子星的密度非同寻常，整个星同原子核的密度一样。现在考虑一颗中子星与一颗普通恒星在相互的轨道上运动。假如轨道充分小，则普通恒星的外层大气将被中子星的强大引力吸引过去。中子星的强大引力是由中子星的很大质量集中到很小体积后造成的。捕获到的气体收集在"吸积"盘中。吸积盘就形成在与中子星自转轴垂直的平面中。随着气体物质向致密的中子星旋落，不断地得到能量；正像下落的球在落向地球时，不断增大速度获得动能一样。两种情况下都从引力获取能量。因为中子星周围引力极强，所以下落的气体原子能取得巨大能量。能量显然是热能，使吸积盘具有极热的内边缘。从这种双星系统发出的X射线就是从吸积盘的内缘处发出的。这个过程的效率大得惊人，释放的总能量约相当于下落气体质量的20%。

这就是活动星系核中所需要的那种效率。许多年里，人们对于AGN发动机的本性有怀疑，当前哈勃空间望远镜的观测提供了某些证实材料。AGN似乎隐藏着超大质量黑洞，它的能量就是来源于黑洞的万有引力吸引过程。换句话说，AGN的中心地域很像是中子星吸积的放大版本，这里代替中子星的是巨型黑洞，巨型黑洞聚集庞大的吸积盘，通过这个十分有效的机制产生辐射。黑洞是具有极强引力场的一种天体，引力场强大到甚至光线也不能从它附近逃离出来。天文学家预言说，黑洞是由质量非常大的恒星坍缩而成的。总之，天文学家认为AGN的中心存在着更大的黑洞——不仅只有5个或10个太阳质量，而是1百万个太阳质量，或许更大。

　　如果双星系统内形成一颗中子星，它距另一颗星可能非常近，通常它的引力能把那颗星外围地区的物质吸引过来。这些物质在流向中子星的过程中被加热，形成包含着强电磁场的热吸积盘，这里的电磁场能对宇宙射线粒子加速。这种系统的例证如天鹅星座X3。我们将在第七章和第八章中进行讨论。

　　M87是远在5000万光年处的室女座星系团中心附近的一个巨型椭圆星系。它是室女星座中最亮的射电星系，被定名为室女座A(VirgoA)。很多年前天文学家就知道这个天体是双射电源。在可见光波段显示，它从核心射出的一个喷流结构远达5000光年。这个暗弱的蓝色图像恰似施密特观测到的从3C-273发出的喷流的微型翻版。3C-273的喷流据估计长达16万光年。早期对M87的光学观测，还显示它有另一个与类星体共同之处。其中恒星极度向星系中心群集，使该天体具有极其明亮的核。

直到1994年，当已修复的哈勃空间望远镜深入地凝视到M87中心时，对这个结构更细致的观察才得以实现。H·福特(Holland Ford)和R·哈姆斯(Richard Harms)是进行这项观测工作的两位天文学家，他们面对着看到的清晰图景大为吃惊。发现有个盘状炽热气体旋涡环绕着核心旋转。就星系整体的椭圆特性来看，在其中心近旁发现这样的旋涡结构，确实有些令人惊奇。哈勃望远镜所具有的卓越的分辨率，使福特和哈姆斯对旋涡内缘作分光测量成为可能。他们的目标是利用多普勒效应揭示打旋的气体和尘埃的速度。这里的气体显示极高的温度，约10，000，盘所发出的光，一侧是红移，另一侧是蓝移。这正好是天文学家所预期的结果，旋转中的吸积盘从倾斜的角度看来，一侧正在离去，另一侧正在靠近。

　　这里惊人的速度量级使福特和哈姆斯激动，速度竟高达每小时200万千米，或每秒钟55千米!这就是存在黑洞的证据。打旋气体速度所提供的结果并不是旋涡中心所含质量的直接测量，而是运用自17世纪开普勒时期就知道的定律推算出质量的方法取得的。通过观测所取得的结论是，24亿个太阳的质量集中在比太阳系大不了许多的空间里。这里对中心天体的本性，并没有留下什么疑惑!照福特的话说，"假如不是黑洞，我不知道它还是什么。大质量黑洞实际上是对所见到的M87的保守解释。假如它不是黑洞，那一定是用我们当今天体物理学理论更难理解的事物"。这次观测所获结果绝非侥幸所得，同一个研究组于1995年12月，在活动星系NGC4261的核心又找到了另一个超大质量黑洞。这个星系也位于室女星座，距我们却在1亿光年的两倍距离之外。

看来这超大质量黑洞未必是预言指出的那种作为大质量恒星寿命终结时产生的黑洞。实际上这里产生超大质量黑洞所需要的条件还远达不到。广义相对论早就指出，产生黑洞所要求的物质密度(为了重力强大到足以阻止光的逃离)与黑洞质量的平方成反比。所以，当物质密度达到每立方米1000亿亿千克(原子核密度的20倍)就能产生太阳那样大的质量的黑洞。产生10亿个太阳质量的黑洞只要求密度达到每立方米10千克，这要比水的密度还小100倍!

　　所以活动星系核的最佳模型是，巨大质量黑洞围绕着一个向内汇集物质的旋转着的吸积盘。吸引来的物质可能是来自星际环境的气体和尘埃，也可能来自整个的恒星!吸积盘中的物质在向内旋进的过程中运动得越来越快。在摩擦把动能转化成热能的过程中物质变得更热。对吸积盘内边缘处的气体所施加的力非常大。除了向外的热流压力和十分强大的辐射压力之外，还有一个非常强大的离心力作用在急速自转的物质上。因为有了这许多因素，黑洞不会吞进所有的物质。事实上，对某些物质来说，阻力最小的路径既不是向内进入黑洞，也不是向外待在吸积盘平面中，而是这些物质以接近光速的巨大速度，在垂直于吸积盘的两个相反方向上，以喷流的方式射出。

我们从类星体和活动星系中看到的，就是这种发出大量射电辐射的相对论性喷流。天文学家们认为，除了高速粒子，喷流也发射快速运动磁场。这些场和粒子结合，经由同步加速器过程，产生射电发射。高能带电粒子(主要是电子)在环绕磁力线作螺旋运动中失去能量，主要转化成无线电波。由于喷流速度极高，而且保持着紧紧的束缚状态，所以能从星系核一直延伸到几千光年。喷流中缠搅在一起的磁场结构随着核心喷射出越来越多物质而不停地变化。另一方面，似乎沿喷流在很远处都可以形成半永久性节点，或形成磁场聚集。激波也从剧烈活动的核心不断地沿喷流运动。天文学家认为，当激波在磁场中碰到节点时，波前携带的高能粒子与磁场节点相互作用就产生出非常强大的同步加速器辐射。我们在双射电源中就见到从喷流的瓣中发出这种辐射。

　　最近，一位名叫P·巴特(Peter Barthel)的荷兰天体物理学家，在统一不同种类的活动星系方面提出一个人们乐于接受的理论。巴特认为，类星体与活动星系都需要有超大质量黑洞和吸积盘提供特种能源。他于是提出，类星体与其他各种活动星系实际上都是同一种类型天体。把它们分成不同种类只不过由于观看它们的视角不同!按照标准理论，中心黑洞吸积着大质量旋转盘和向外射出一对高能喷流。如果该天体在天空的方位处在我们差不多从边缘方向看见吸积盘的情况下，就会对两个喷流中的节点占有很好的视角。天文学家就把这个天体分在双射电源类。另外，巴特争辩说，如果碰巧喷流指向接近我们的方向，我们就完全看见另一种不同的情景。这时从喷流发出的总量极大的辐射，直冲向我们，特别显著的明亮和恒星状特性就显出类星体的模样。巴特的模型极具感染力。它满足科学奋斗任务的伟大目标之一，即通过统一概念和理论的寻求将纷繁复杂的大自然简单化。尽管巴特的模型尚处于萌芽时期，至今还没有人认真反对。

　　活动星系和大质量黑洞或许就是使最高能宇宙射线获得能量被加速的最初地点。本书稍后将论述到，这些天体几乎是惟一能把质子加速到超过50焦尔能量的天体。这样巨大的能量要比束缚在地球上的粒子加速器给予质子的能量大1亿倍。最高能宇宙射线一经产生，就洞穿星系际空间。惟一障碍是微波背景辐射的光子。同大爆炸的这些纤弱遗迹碰撞，虽然剥夺掉宇宙射线的一些能量，但是却为我们提供了某些有关宇宙射线起源的宝贵线索。

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第四章　恒星及其结局
 

　　现在让我们向着附近环境的更远处探索。我们银河系包含着许多对高能物理观察相当重要的天体。本书中即将涉及的许多高能现象源于比太阳质量更大的恒星在死亡线上的挣扎。天文学家认为所有恒星都产生在稀薄气体云和尘埃因引力而导致坍缩这一方式下。不过，恒星的初始质量大小却是影响它如何演化、存留多久及其死亡结局的主要特性。巨大质量恒星会以激变的超新星爆发形式而终止其一生，身后留下一颗引人注目的中子星(或许是黑洞)，并且不断显现出高能物理学前沿上见到的许多现象。

恒星的诞生

　　对于气体和尘埃缓慢自转的球体所形成的恒星，已提出一个共同的恒星诞生图像。但过程的细节尚不清楚，特别是还没有提出坍缩的稍后阶段关于行星形成的清晰理论。然而，随着巨大红外望远镜的出现使得这些过程的研究变得比较容易了，因为它能深入地看到我们银河系的朦胧部分，那里是气体和尘埃密集的区域，包含着恒星的孕育场所。那里的主要气体——氢的密度是每立方厘米约100个原子，这比星系中氢的平均密度大100倍。氢存在于巨大的云中，同尘埃和其他气体共同形成早期几代恒星。或许是由特别致密的区域播下种子，气体尘埃云在引力作用下经过坍缩而产生了称作原恒星的气体自转球体。

原恒星不会立刻变得看起来行为像太阳那样。它还不能通过核聚变产生能量，而是开始得到热能。这时气体加热是通过开尔文亥姆霍兹收缩过程进行的。就像给自行车轮胎打气时，增加胎内气压伴随着轮胎被加热一样，随着气体的坍缩原恒星的温度将持续增高。

　　20世纪20年代，有两位英国天文学家，A·埃丁顿(Arthur Eddington)和R·阿特金森(Robert Atkinson)，他们认识到，如果原恒星中心核的密度和温度爬升到足够高的水平，将能使得两个氢原子核相碰撞的力量大到产生核反应。所需温度是超过摄氏1000万度。氢原子(由一个质子和一个绕其旋转的电子构成)在这样的温度下电子被剥离。极高温度所导致的结果是使质子获得了高速度，能以充分强大的力量克服两个荷正电粒子间极强的电斥力而相互碰撞。碰撞的结果是产生如下核反应，即沿着包括另外的碰撞在内的三步过程产生一个氦核。爱因斯坦相对论可以说明该过程中释放出能量的道理。由于氦原子核的质量与形成氦核的四个质子的质量之间有微小的差别，这部分质量就转化成能量释放出来。