天体的超光速膨胀

宇宙中，不同的天体按不同的年龄有不同的辐射特征。通常我们见到的是天体的可见光辐射，但除此之外天体的辐射还包括更广阔的频率范围，如红外、射电、紫外、X射线、γ射线、中微子及引力波。不同的辐射采用不同的方式观测，因此也构成了不同的天文学分支。如射电天文学、中微子天文学和引力波天文学等等。也可分为地面天文学 （在地面上观测）和空间天文学 （利用卫星在太空进行观测）等等。

哈勃空间望远镜观测到的射电星系

波长从1毫米到10米的电磁波辐射称射电波，其中又可分为毫米波、分米波、米波和十米波。这一波段除少数区外，大气对它不吸收，因此大多数观测可以在地面上进行。这就为其发展带来有利条件，而在技术上，射电天线的制造远比光学望远镜容易，加之它接收的射电信号很便于直接与现代计算机技术结合，因此便于将不同射电天线接收的信号加以综合处理。于是组成数十个天线大面积分布的射电阵。不难理解，对天体的观测要求看得远、分得清，这都要求增大接收面积，即加大望远镜口径。而分布在以千米计范围内的射电阵等效于这样大口径的天线，其灵敏度与分辨度自然能大大提高。研究射电天体不仅要测出其射电辐射强弱，还要测量其频谱、偏振、精确位置和结构。而采用射电阵得到的结构细节已达一角秒。可与地面上的光学望远镜拍摄的天体照片媲美，而甚长基线干涉仪则已达到万分之几角秒的分辨率，远远超过光学望远镜。举一个形象的例子，这种分辨度相当于在北京的上空能清晰地分辨在天津的人们头上相邻的两根发丝间的细节。20世纪60年代天文学的四大发现：类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射，全是借助于射电天文观测手段获得的。而脉冲星和宇宙微波背景辐射已分别获得1974年和1978年的诺贝尔物理学奖。从20世纪50年代初发现中性氢分子21厘米谱线，1963年发现星际羟基的微波谱线至今已有数十种分子的两千多条星际分子谱线。研究这些谱线的意义是十分重大的。一方面它们是新天体形成的物质基础，另一方面它们受到其周围成团物质的引力场制约，因此观测它们的运动可以间接考查成团物质的质量。宇宙中暗物质的探测就是借助21厘米氢分子谱线探测而判别的。再有，由于这些游离分子中存在着大量有机分子，它们是产生生命的物质基础。因此它们或许对研究宇宙中生命的起源会提供重要信息。

规模庞大的射电阵

用以发现微波背景辐射的羊角天线

通过上面一小段介绍你是否感到宇宙射电天文学强劲的生命力呢？或许你会觉得宇宙中天体的射电辐射太强烈了，甚至怀疑这样强的射电辐射对人类的生态环境有什么不良影响？在一次射电天文的国际会议上，每个与会者在进入会场前都得到了一张小小纸片，大家疑惑不解。会议开后人们才明白，它告诉人们60多年来射电观测所取得的这些成就，所接收到的来自宇宙射电源的总能量不足以驱动人们手里拿着的那张小纸片！从这个小故事你是否能感受到天文学家为了欣赏这一段宇宙旋律所付出的代价吗？

更为有趣的是：20世纪60年代末射电天文学家，通过甚长基线干涉仪 （VLBI）发现一些活动星系核和类星体，如3C120、3C345、3C273等，几个类星射电源的两个致密子源以很高的速度分离。如果这些天体确实是位于宇宙学距离，两子源向外膨胀的分离速度将超过光速，最大的可达数十倍光速。由于人们不愿意怀疑爱因斯坦不可能出现超光速运动的结论，因此，怀疑具有超光速分离现象的天体并不处于宇宙学的距离上，即认为类星体的红移并非具有宇宙学意义。但像3C120就是塞佛特星系，因此，对距离的怀疑被否定。于是人们又说，这类超光速现象是一种 “视”现象。用了一些自相矛盾的模型来加以解释，但都不能彻底解决问题。或许只需认识到科学知识中不可避免地会有社会 （人为）建构的成分，就很容易理解为什么这些完全不顾观测到的特征是否与构造的 “模型”符合，因为这些现象是他们所不愿看到的，历史上的物理学家还常常承认物理学的漫天晴空存在着 “小小的乌云”。而现在的 “正统”物理学家却认为那不是 “乌云”只是你的眼睛有 “翳雾”而出现的“视”现象。至今，观测到具有超光速膨胀的天体已有近50个之多。1994年天文学家又利用甚大阵观测到一个超光速膨胀的天体是在银河系内。也就是说它根本就不是利用红移来确定的距离。这就完全避开了宇宙学的问题。下图显示了利用甚大阵在3.5厘米波长观测到的银河系内天体GRS1915＋105的超光速膨胀。

英国《自然》杂志所刊载的类星体3C273的超光速膨胀图片

1994年观测到银河系内“微类星体”的超光速膨胀

20世纪80年代初，由于甚长基线干涉仪的改进，使观测结果不仅能准确给出数值，而且能给出图像。上图就是3C273的射电双子源的不同日期变化，特别有意思的是，20世纪70年代和80年代的观测数据间发生了明显的跳跃，似乎显示这膨胀是一个加速过程。这就更增加了这类超光速膨胀的神秘色彩。天文学家总想把它归结为仪器改进过程中带来的某种变化。但加速的膨胀过程被观测所直接得到了。在3C345中就观测到一个具有加速度的非径向过程。

如果说上面的射电天文观测结果还有什么地方值得怀疑的话，那么哈勃空间望远镜的观测结果更不容怀疑了吧！首先，它是在可见光范围内的观测；其次，它是一个望远镜的直接成像显示出的结果。

1990年4月25日哈勃空间望远镜升空，由于一些人为因素，造成某些缺陷。但经过1993年12月2日的一次大规模修复，使用性能超过了原设计目标。长期观测结果表明，它的分辨率比地面大型望远镜高出几十倍。正是这个哈勃望远镜直接观测到银河系内一个超巨星正以超光速膨胀：

哈勃空间望远镜

V838莫诺色罗蒂斯星体强烈爆发

下图是由美国航空航天局哈勃望远镜拍摄的十佳照片之一。照片显示一个非同寻常的星体爆发产生的光像水波一样在星体附近回荡。该星体名为V838莫诺色罗蒂斯，离地球仅2万光年，位于我们银河系的独角兽星座，是一个罕见的正在爆发的超巨星。超巨星是一类大质量，高亮度的星体，质量一般是太阳的几百倍以上，亮度也比太阳大得多。

这次的异常爆炸发生在2002年1月，在短短的40多天里，该星体的亮度增长了1万倍，成为我们银河系中亮度最大的星体。照片中可以见到从这一奇异星体发出的光正在向四周的空间扩散，在碰到四周包围着该星体的尘埃后又被反射回来，构成一副绚丽的、状似牛眼的多色图样。

照片显示从2002年5月到12月，星体景象由于星体四周不同部分依次被照亮而发生了显著的变化。天文学家把这种效应称为 “光回声”。星云中的不同颜色反映了星体颜色随着星体爆发的改变。在这段爆发过程中，该星云的直径迅速由4光年增加到7光年。而接下来的四幅小图中显示出该天体在7个月内直径增大了3光年，其膨胀速度为4.3倍光速。目前科学家们对这次爆发的原因还不清楚，天文学家也称以前从没有观察到过类似的星体。

V838在7个月内直径增大3光年