《追逐类星体》 高爽解读

《追逐类星体》| 高爽解读

关于作者

这本书的作者何香涛教授是北京师范大学天文系教授，博士生导师，同时也是国际天文学会会员，中国天文学会最高奖张钰哲奖的获得者。

关于本书

《追逐类星体》是作者几十年天文研究工作的亲身经历的整理和总结，记述了作者作为改革开放后第一批出国访问的天文学家，逐渐发现类星体，参与对新天体的探索工作和国际合作中，最后发展出有效的思维方式和工作方法。书中还包括作者个人对天文学和科学研究的心得体会，是天文学家工作过程的第一手材料。

核心内容

类星体是天文学四大发现之一，也是唯一一个没有获得过诺贝尔奖的重大发现，因为围绕着类星体还有特别多难以理解的难题。类星体的发现和研究，刷新了天文学的传统认知，对过去的天文学框架提出了挑战。同时类星体也对天文学本身的发展提供了帮助。通过类星体的发现和研究，天文学再次为人类贡献了有价值的思维方式。

你好，欢迎每天听本书，我是高爽，德国海德堡大学天文学博士，曾经在国家天文台和北京师范大学从事天文学研究和教学工作。我在得到App开设了《天文学通识》课程，为你系统性地讲述天文学的思维方式。

我今天为你解读的，是一本有关星系的科普书，叫《追逐类星体》。这本书同时也作为《天文学通识》课程的参考书目，为你扩展星系这一单元的知识。

在晴朗的夜空，我们总会看到天上有明亮的星光。按照我们在中学时学的知识，你肯定知道，这些发光的星星，绝大多数是恒星。但随着天文学的进步，科学家们逐渐发现，我们肉眼看到的星光，不仅仅是恒星发出的，还有另一类天体，也就是咱们今天要说的，类星体。

类星体，本质上是非常遥远的星系的核心。而且，类星体诞生在宇宙刚形成的时候，那个时候星系的核心非常活跃，爆发出巨大的能量。可以说，类星体是人类能够看到的，历史最悠久的天文现象。

关于类星体，直到目前为止，还有太多的谜团还没有解释清楚，天文学对类星体的认识才刚刚开始。也是因为这个原因，类星体在我国台湾地区被翻译为魁煞星，魁是魁梧的魁，煞是凶神恶煞的煞，用魁煞这样的字眼表示这种天体神秘莫测，让人难以理解，甚至经常颠覆传统的常识。

那么，作为普通的读者，了解类星体有什么用呢？一方面，如果你是天文爱好者，这当然可以进一步满足你对天文学的好奇心，补充你的天文学知识。另一方面，科学家探索类星体的故事，本身就是一个，从误解到逐渐了解本质的过程。这是天文学这门科学逐渐进步的缩影，也能集中体现出天文学家解决困难时的思维方式。关于这些思维方式，以及它给我们带来的启发，我会在后面详细为你讲述。

本书作者何香涛教授，是北京师范大学天文系教授，同时也是国际天文学会会员。顺便要说一句，我在北师大天文系读书的时候，也是何香涛教授的学生，本科和研究生期间上过何先生不少的课，领略过何先生的风采。书中的很多小故事，我也在课上听何先生当面讲过。

何先生多年来在《天文爱好者》杂志上，连载了系列的科普文章《追逐类星体》，经过再次整理，有了现在这本书。在书中，我们可以读到作者娓娓道来的天文学知识，也可以读到作者作为亲历者，参与天文学工作的探索过程。所以，这本书与其他天文学科普读物不同的是，它由作者的亲身经历串联起来，讲述的是第一手的天文学资料和作者自己的感悟。

接下来我将分成三部分，为你解读这本书。

第一部分，我们说说，到底什么是类星体，以及天文学家是怎么发现类星体的。

第二部分说的是，研究类星体有什么意义，类星体对天文学来说为什么那么重要。

第三部分，我们再来具体说说，天文学家探索类星体的过程，能够带给我们怎样的启发。

首先来说第一部分。类星体是什么？以及天文学家是怎么发现类星体的？

类星体，代表了一类非常特别的星系。这是人类用望远镜看到的最远的天体，因为距离最远，所以也是人类看到的最悠久的天文学现象。所谓类星体，本质上，就是非常遥远的星系的核心。目前天文学界的主流说法是，在这个核心区域，有着超大质量的黑洞，它周围的气体向它掉落的过程中，因为加速运动而发光，我们能看到这个光。

类星体的发现，对于天文学来说，有着重大的意义。因为这本身就验证了天文学在技术上的一大突破。这项突破就是射电观测。

这是什么意思呢？

我们看到太阳和各种星星，都是用眼睛接收到这些天体发出的光。这种可见光有不同的颜色，就像彩虹那样从红色过渡到紫色，对应着光的波长，从长波过渡到短波。也就是说，人的眼睛受到地球环境的影响，经过漫长的进化，可以识别出来的这个波长的范围，就是可见光。比红光的波长更长的光，和比紫光的波长更短的光，对人的眼睛来说就像是不存在一样，我们看不见这些超出范围的光。

就算用上普通的天文望远镜，也没有什么本质的不同。望远镜把星光汇聚起来，就可以看到原来肉眼看不到的更暗弱的光。但是同样，最后得到的结果也只有可见光能被人眼识别。所以从观测的角度来说，人类历史上漫长的岁月中，对宇宙的观察，仅仅接收到了唯一的一种信息，就是可见光。这就相当于，面对浩瀚宇宙，人类因为自身的局限性，只能通过一道窄窄的门缝往外看。

把这道门开大的就是射电观测。

20世纪30年代，贝尔实验室的工程师央斯基，在测试通讯天线的时候发现，无论怎么调整天线，每天都会接收到一个奇怪的信号。他不知道这个无线电信号从哪里来，他只发现这个信号每次间隔23小时56分钟出现一次。这个问题对无线电工程师来说很困惑，但是对天文学家来说是很简单的事。天文学家知道，如果是24小时的时间间隔，那可能和太阳有关系，因为用太阳当参照物，地球转一圈的时间是24小时。但如果用更遥远的恒星和银河系做参照物，地球转一圈的时间是23小时56分钟。也就是说，这个信号不是自己断断续续，而是一直就没有动，这就是遥远的恒星或者银河系传来的。之所以会出现有规律的间隔，是因为地球的自转，每次转过来面对目标，就会接收到信号。

所以当天文学家听说无线电工程师的这项发现之后，惊喜万分，这意味着，有遥远的宇宙中的目标往地球发射了无线电信号。无线电在天文学中称为射电，射电天文学为天文学打开了可见光之外的，新的窥探宇宙的窗口。央斯基的天线成了天文学中这扇重要窗口的开端。

在二战期间，德国对英国狂轰乱炸，英国靠着自己的军用雷达技术，多次挫败德国空军的进攻。在战后，这些雷达天线和大量的无线电工程技术人员，都转行做起了天文学研究。所以，战后一段时期，英国成了射电天文学的领头羊。比如说，上世纪60年代，英国天文学家马丁·赖尔改进了无线电天线的观测技术，后来获得了诺贝尔奖，这是诺贝尔奖第一次颁发给天文学家。

顺便提一句，射电天文学用的望远镜，有点像你见过的那种巨大的卫星电视接收锅，用金属制造，一般口径都特别巨大，专门接收来自太空的无线电信号。

说了这么多射电天文学和无线电，这和类星体有什么关系呢？

当年，射电天文学刚开始兴起，还没有人明白为什么天体会发射无线电信号。剑桥大学就做了一项工作，他们用射电望远镜，把整个天空全都扫描了一遍，想把能找到的无线电信号全部都记录下来。你看，这就是天文学家一个重要的工作思路，不知道的时候，先尽可能多的收集样本。

50年代，剑桥大学发表了第一个无线电信号的目录，因为剑桥这个词开头的字母是C，所以天文学上把这个目录简称叫 1C。1C包括50个目标，都是比较强烈的无线电发射源。后来又发表了2C，但是这里面包括了很多错误，经过重新鉴定更新的3C一共包括471的无线电发射源，我们要说的一部分类星体就藏在3C的目录当中。

天文学家只是列出了天空中471个有无线电信号的位置，但这些位置对应着什么东西就不知道了。科学家们就首先开始尝试，能不能用天文望远镜，观察这些位置，看看有没有什么发现。

1960年，美国天文学家桑德奇首先看到了3C中的48号目标的可见光。它看起来平淡无奇，就和一颗普通的恒星一模一样，看不出来大小尺寸，只是一个发光的小亮点。这要怎么进一步分析呢？

你可能还记得我在《天文学通识》课中专门讲过的天文学验证理论的重要手段，如果没有听过也没关系，我简单介绍一下。

天文学家能分析遥远目标的那么多信息，靠的一大武器是光谱。利用特殊的光学设备，可以把星光分解成一小段彩虹，也就是把星光当中不同波长成分区分开，看看什么波段的光多一些，什么波段少一些，这就是光谱。

光谱当中隐藏着特别丰富的天文学信息。比如说，如果这个天体往远处跑，光谱就会整体往红色那一边位移，就好像波长被拉长了，这就叫红移。再比如说，这个天体当中含有一些化学元素，这些元素就会在光谱上特定的波长位置吸收掉一部分光，或者发射出更多的光。所以光谱看起来就不是平滑的，而是充满了凸起和凹陷的地方，这些都是化学元素的作用。简单的说，利用光谱，可以了解这个天体的运动情况，化学成分等特别丰富的细节。

天文学家观测到了类星体的光谱。发现非常奇怪，完全不理解这是什么东西。类星体光谱上有大量的发射线，也就是某些化学元素，在很多波长的位置发射了额外的光。但是一般的恒星却没有这个特点。而且类星体光谱上的紫色光，以及比紫色光波长更短的紫外线都非常强烈，这一点也不符合一般的恒星。

这就麻烦了。类星体看起来像恒星，光谱显示又不是恒星，是什么完全不认识。怎么办呢？

1963年，幸运女神降落到天文学家马尔滕·施密特的头上。他观测了3C目录中的273号目标，分析了它的光谱，他用了六个星期，思考这些光谱到底意味着什么，突然恍然大悟。这些光谱上的发射线，其实就是氢元素造成的。

宇宙天体中含量最多的化学元素就是氢，出现氢的特征是极其正常的事。那为什么不认识了呢？还记得刚才咱们说到的如果目标往远处跑，整个光谱都往红色那头偏移吧？类星体上的这些光谱，也往红色那一头偏移了，但是和普通的恒星不同，类星体偏移的太厉害了，以至于之前的天文学家从来没考虑过这种可能性。

偏移了多厉害呢？3C中的273号目标，正常情况下一根氢元素产生的光谱特征出现在波长480多纳米的位置，现在观测到的结果出现在560纳米的位置，整整偏移了18%。如果这些偏移同样是因为类星体正在往远处跑，那么计算一下发现，类星体跑出去的速度有多快呢？每秒钟4万多公里。这个速度肯定不会停留在银河系里，肯定不是咱们附近的恒星，只能是遥远的宇宙深处的东西。按照宇宙学的模型计算，它的距离大约有20多亿光年。

施密特打破了常规，搞明白了类星体的光谱中的那些奇怪的特征到底是什么，其实都是很大的红移让天文学家不敢相认。所以类星体其实是非常遥远的东西。它看起来像一颗恒星，但实际上不是恒星，天文学给它起名字叫类似恒星的天体，简称类星体。3C目录的273号天体称为人类发现的第一个类星体。

以上就是第一部分的内容了。天文学家受到无线电工程师的启发，开创了射电天文学，用可见光之外的新的窗口观察宇宙，发现天上有很多无线电发射源，最终破解了其中一些目标的光谱，发现了类星体。

接下来的第二部分，我们再说说，研究类星体有什么意义，类星体对天文学来说，为什么那么重要。

类星体看起来和恒星一样，而且还挺亮的，但实际上又特别遥远，这其实是一个非常有意思的现象。20多亿光年那么远的东西，发出的光穿越巨大的宇宙空间走到我们这里，还能看起来像近处的恒星一样明亮，这就意味着它发出的光特别的耀眼，释放着巨大的能量。

就拿3C目录的273号这个类星体来说，它发出的光，总能量要有多大，才能像现在看起来这么亮呢？答案是，超过2万亿个太阳。这个能量比整个银河系还大200倍。也就是说，3C 273这样一个天体就能超过200多个银河系一起的发光能力。

究竟是怎样一种存在，会产生如此巨大的能量？这个问题，到目前为止还没有得到充分的回答，目前比较主流的理论也只是猜测。类星体作为天文学四大发现之首，却还没能获得诺贝尔奖，原因就在于此。

目前比较主流的理论认为，类星体是很远的星系的核心区域。这个星系诞生在宇宙很年轻的时候，它的核心存在一个超级大的黑洞。这个黑洞正在迅猛地吞噬周围的物质。吞噬的速度大约是每年吃掉一个太阳这么多的物质。因为吃的太快了，太多的物质一股脑地挤进去，就会在黑洞附近相互摩擦，相互碰撞，这个过程极其剧烈，所以就会释放出巨大的能量。和我们的银河系不同，类星体所在的星系是年轻的、活跃的星系，银河系相对比较平静。

那了解了这些有什么用呢？

从20世纪60年代到现在为止，人类已经发现了几十万颗类星体。它们大部分都很遥远，最远的类星体，距离我们超过100亿光年。这里补充一个小知识。对于宇宙来说，离我们越远的东西，在宇宙中诞生的时间也就越早，所处的年代也就越是古老。所以这些遥远的类星体，全都诞生在宇宙刚形成没多久的时候。

所以研究类星体的本质，联系着宇宙诞生的早期的历史。从这个角度来看，类星体，是一项意义重大的研究。因此，天文学家之间展开了竞赛，都在寻找更远的类星体，也就是诞生在宇宙更古老的时期的类星体。截止目前，已经发现的最遥远的类星体，到我们的距离超过290亿光年，它诞生在宇宙刚形成6亿年的时候。

探索宇宙诞生的历史，只是类星体的一项功能。类星体这么遥远，它的星光走到我们眼前，就必须穿过漫长的星际空间。但是，星际空间不可能绝对真空。类星体的光芒在经过几十亿甚至上百亿年旅行的过程中，很可能会被一些星云或者尘埃遮挡，这会在特定的位置吸收掉一部分光。所以我们接收到的类星体的光，里面不仅仅有类星体自己的信息，还混合着传输过程里面这些遮挡物的信息。

所以研究类星体，还关系着从近处到远处的星际气体和尘埃的分布情况。要是这么说的话，类星体有点像一个远方的探照灯。在它的照射下，那些原本看不见的、不发光的东西，都会被暴露出来。

类星体还有一个独特的功能，让天文学家特别高兴。

天文学家经常要观测一颗恒星或者一个星系，要给它们确定位置，也就是在天空中的坐标。这件事实际操作起来其实还挺难的。因为天空中几乎所有的目标都在运动，几乎就找不到一个完全不跑的东西。所有的东西都在跑，要确定坐标位置的时候，拿谁当参照物呢？我们没办法在太空中制造一个标准的绝对静止不动的刻度尺，那要怎么才能找到一套静止不动的框架呢？咱们这里说的位置，指的是在天空背景中的二维的位置，不需要考虑距离远近的问题。

类星体恰到好处地为天文学家提供了一整套标准的框架。因为类星体太远了，又太亮了。类星体遥远，所以在地球上看起来，它们在天空背景中几乎不存在上下左右的运动。也就是说，把类星体当成一个静止不动的框架、刻度尺，就可以比较精确地知道其他星星如何运动，从而确定大家的坐标位置。

这就是第二部分的内容，类星体对天文学有着重要的意义。理解类星体的本质，到现在为止也是很困难的科学工作。利用类星体的信息，可以研究宇宙早期历史，研究星际空间的气体和尘埃，还可以帮助天文学建立一套固定位置的参考系。

最后，我再来说说，发现和探索类星体的故事，对普通人有什么启发？我们可以从这些科学思维中获得什么样的经验？

发现类星体的基础，是射电天文学。没有射电天文学，可能就不会那么快的发现这样奇特的天体。射电天文学，是人类观察宇宙的一扇新的窗口。从此之后，人类可以在可见光之外的波段看到宇宙。也就是说，对于像天文学这种，依赖于收集大量数据来进步的工作，想要取得突破性的进展，就必须首先取得突破性的获取信息的方式。从可见光到无线电，就是这样的突破。观测用的望远镜的构造、接收信号的原理、信号处理分析的算法、得到的图像……等等这些过程全部都要更新迭代。

当然，我们也可以看到，无线电技术的进步，在这个过程中扮演了很重要的角色，军事应用转为民用也起到了重要的推动作用。

另外，从剑桥大学的1C目录，到施密特确定类星体是什么东西，中间经过了近10年时间。这个世界上一部分最聪明的头脑，利用最先进的观测设备，投入大量的资金做这些研究，但是迟迟没有办法理解那些无线电目录上的目标是什么东西。这里面的问题出在哪了呢？施密特灵机一动，靠的是什么呢？

靠的就是突破那种传统的观念，挑战天文学历史上，认为不可能的事情。从恒星到星系，之前观测过的所有的天体，都有可能往远处跑，但是跑的速度从来都没有超过每秒钟三万公里。所以，从来没有一位天文学家会想象，自己看到的目标在以接近5万公里每秒的速度飞奔，更不敢相信这么明亮的东西居然可以那么遥远。

你看，这些不敢相信、不敢想象，全都来自经验，来自对过去的成果的不充分的归纳，算得上是一种偏见。这些偏见阻碍我们认识新的可能性。具体来说，天文学的每次进步，都是令我们惊讶的新现象、新目标和新规律。天文学一直在用这种方式提醒着人类，过去的经验可能是财富，也可能是绊脚石。你已经掌握的知识，也有可能阻碍你掌握新的知识。

好了，以上就是这本《追逐类星体》的精华内容了。

总结一下，我先给你介绍了类星体的发现过程，类星体伴随着射电天文学的兴起，是在人类打开了可见光之外的新窗口的时候遇到的新现象。

此外，我们还说了，类星体的本质可能是一个活跃的星系的核心，有着巨大的能量。研究类星体对天文学的意义很大，从远到近，可以解决宇宙起源的问题、星际空间的问题和位置坐标框架的问题。当然，这些只是类星体应用的一部分例子，类星体在天文学上的用处还有很多。

最后，我为你分享了类星体探索的过程，可以给我们带来哪些启发。科学的发现，有时候非常依赖于技术的突破，还有很多，是其他领域技术的进步。而长时间错过理解类星体，归根结底，是因为过去的传统经验让天文学家畏首畏尾，不敢想象。

撰稿、转述：高爽脑图：刘艳导图工坊

划重点

1. 天文学家受到无线电工程师的启发，开创了射电天文学，用可见光之外的新的窗口观察宇宙，发现天上有很多无线电发射源，最终破解了其中一些目标的光谱，发现了类星体。

2. 利用类星体的信息，可以研究宇宙早期历史，研究星际空间的气体和尘埃，还可以帮助天文学建立一套固定位置的参考系。

3. 天文学一直在用这种方式提醒着人类，过去的经验可能是财富，也可能是绊脚石。