互动科普

天文学家能把星星数完吗？

Gunther Hasinger

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过去5年中，随着望远镜灵敏度和分辨率的大幅度提高，天文学家已经查明了越来越多的背景辉光。在这一过程中，我们发现我们先前对宇宙的盘点是不完全的。例如，我们远未估计到超大质量黑洞是如此之多。天文学家一度以为超大质量黑洞不过是个别的奇异天体，但实际情况却完全相反，这类黑洞叫以说比比皆是，无处不在。早期的研究之所以漏掉这些黑洞，是因为它们被大量的光埃遮住了。随着超大质量黑洞逐步露出真面目，我们或许很快就能圆满地解释背景了。

这并不是说我们将会看到所有能看到的天体。生物学家不可能统计出每一只昆虫，同理，天文学家也不可能统计出每一个天体。然而，正如生物学家可以很有把握地声称他们知道所有主要类型的陆生哺乳动物一样，天文学家现在也即将确认所有主要类型的发光天体。

不放过任何蛛丝马迹

当天文爱好者听到“背景”这个词时，他们立刻就会想到大名鼎鼎的宇宙微波背景辐射（CMB)。这种无孔不入的射电辐射看来有一个实实在在的弥漫性起源，也就是当宇宙的年龄仅有40年时充满整个宇宙的一团炽热的等离子体。随着宇宙的不断膨胀，今天我们所观测到的这种背景辐射的峰值波长是大约1毫米左右，与2.7开氏度的温度相对应。对CMB能谱及分布的研究为大爆炸理论提供了令人信服的证据。

但CMB只是整个故事的一部分。全部电磁辐射实际是多种成分的混合物，每种成分占据着某特定范围的波长。除了CMB之外，还有名气稍逊的宇宙X射线背景辐射(CXB)、宇宙红外背景辐射(CIB)以及宇宙光学背景辐射(COB)等。

精确测定这些成分是观测天文学中最令人头痛的任务之一。这项工作从原理上晓似乎很简单，只须将望远镜瞄准天空，测量总的信号并减除地球与深空宇宙(前景)之间的所有已知信号源的信号就可以了(已知信号包括探测器的噪声、太阳系内发出的信号、银河系其余部分发出的辐射，等等)。此外，我们还必须校正前景对背景信号的衰减。

然而，实际完成所有这些减除过程并达到足够的精度是件非常棘手的工作。减除过程会使误差增大。在某些波段上背景辐射是天空中最明亮的辐射，这对于观测者来说自然是再好不过的事情。但在其他一些波段，观测者就像从前景的咆哮如雷中要听清宇宙背景的耳语一样要费尽九牛二虎之力。最常遇到的制约因素是天文学家测量前景辐射时所能达到的精度。为了绕开这个问题，天文学家把注意集中在那些空无物的天区——既无恒星，也无其他已知的前景天体，越是空得令人烦闷就越好。尽管存在诸如此类的障碍，观测者现在仍然以很高的精度测定了很宽的能谱范同内的宇宙背景辐射谱(见50页下图)。

l962年发现的X射线分量在30千电子伏上有一个特征波峰(30千电伏大致相当于医用X光的波长)，而能量更高的波段上(包括伽玛射线)则有一个长氏的尾巴。在低于l千电子伏的区域内有一系列原子发射谱线迭加。在这一连续谱上，这些谱线看来是一团被加热到数百万开氏度、而且极有可能位于银河系内或银河系周围的气体的“指纹”。

在上世纪70年代，首批X射线卫星(如UHERE，ARIEIV以及HEAO一I等)揭示高能X射线辐射均匀地分布在整个天区。因此，这种辐射必定主要起源于银河系外。如果它来自太阳系或银河系内，那么它的亮度在与行星轨道平面或银盘对应的某些方向上就会强得多。伽玛射线卫星(如SAS一3，COS—B以及康普顿伽玛射线天文台等)发现，在更高的能量上也存在类似的辐射均匀分布现象。

CMB与CX在其各自的波段上是天空中占主导地位的辐射，但他各种宁宙背景成份则只占各自波段上天空辐射总量的一笑部分。几年前，若干研究小组各自独立地探测到CMB高频尾部中的远红外背景信号（参看本刊198年第6期George Musser所著“黑暗中的辉光”一文）。在近红外到中红外波段上，明亮的黄道光掩盖了背景辐射，因此天文学家通常采用对其他波段上的测量结果进行内插的方法来推算。天文学家还根据高能伽玛射线的观测结果推导出上限：如果红外光子晕太厚，则将干扰伽玛射线的传播。只是最近两年中天文学家才进行了红外波长上的直接测量工作。

在可见光和紫外波段上，密执安大学的Rebecca A. Bernstein及其同事在2001年l2月宣布他们对背景辐射进行了首次直接测量。在他们的这项工作之前，天文学家采用的方法是把哈勃太空望远镜观测到的最暗弱星系的光总合起来，并依据由此推导出的约束条件来估计这两个波段上的背景辐射。对于极端紫外波段，背景辐射被星际介质掩盖掉了，因此其辐射强度只能够通过在紫外线和X射线的测量结果之间作内推以得出估计值。

背景中的秘密

为了使背景辐射起到一种质量控制检测的作用，天文学家必须找到一些办法求比较测量结果与预期结果。这并不是一项轻而易举的任务。背景辐射是各种类型天体所发出的光组成的复杂混合物。恒星通过热核聚变反应发出的光主要分布在近红外、可见光及紫外光等波段上。类星体和他活动星系核(AGN)的黑洞吸入物质，并以很高的效率将其引力能转化为辐射。其辐射能分布在一个很广的波段上(从射电波到伽玛射线)。尘埃云吸收可见光、紫外光和X射线，并以远红外光的形式重新辐射能量。背景辐射还把宁宙距离和演化阶段相差悬殊的各种不同天体发出的光统统混在一起，从而使问题更加复杂化了。

办法之一是进行精细的巡天观测，也就是以最高的分辨率和灵敏度进行观测，以确定背景辐射的各种具体的来源。比较在不同波长上获得的测量，结果我们就可以确定这些辐射源是何种类型的天体。然而，这种直接的方法只对非常有限的天区中比较明亮的天体才能获得所需的精度，对于范围更广的测量我们需要依靠第二种方法，即所谓“星族合成法(population synthesis)，也就是计算各种可能的天体组合的预期辐射量并将这一预测值与背景测量结果进行比较，然后继续尝试其他不同的组合，直到找出一种看来合适的组合方案。

由于CXB是第一种已知的背景辐射，因此对它进行的研究比对其他背景辐射成分进行的研究要多。有关CXB的最基本问题——CXB是来自未辨认出的辐射源还是来一种迄今尚不知道的弥漫气体——曾经争论了30年之久（参看本刊1985年5月号Bruce Margon所著“宇宙X射线背景的起源”一文）。在上世纪90年代，一类间接的论证终于解决了这个问题。如果CXB来自炽热的星系际气体的话，那么这种气体应当也起着种屏蔽物的作用，使我们对宇宙微波背景辐射的观测产生畸变。这样CMB的能谱就将偏离理想黑体的能谱。然而，对CMB的观测(特别是宇宙背景辐射探测者卫星所进行的观测)却没有发现任何这类偏离。因此，来自这类炽热气体的X射线仅占整个X射线背景辐射的一小部分。较冷的气体或许也对x射线背景有所贡献，但大部分CXB辐射必定来自尚未确认的孤立辐射源。

但是这些辐射源可能是什么样的天体呢？为了回答这个问题，CXB辐射的发现者Riccardo Giacconi及其他一些研究人员在上世纪80年代初利用爱因斯坦X射线卫星(IIDAO一2)进行了首批详尽的巡天观测。他们把大约五分之一的X射线背景辐刖追溯到孤立的辐射源上(包括类星体)。ROSAT卫星随后接过了这项研究任务。

1984年，一个研究小组——其成员包括Giacconi、类星体的发现者Maarten Schmidt，ROSAT之父Joachim Triimper以及本文作者之一Hasinger等人——在德国加尔兴市马克斯·普朗克地外物理学研究所聚会，着手安排以ROSAT卫星为工具进行深空道天观测的计划。在ROSAT于1990年10月发射以后，这些巡天观测便成了一项持续达十余年的重大活动，有大批合作者参与其中。由于人数众多，我们在此无法一一列举。

对所谓“洛克曼洞”(Lockman Hole)进行的ROSAT巡天观测是持续时间最长且最深入的X射线加可见光观测括动之一(洛克曼洞是北斗七星附近的一个天区，这一区域内几乎不存在前景吸收)。通过这些观测，能量低于2千电子伏的X射线背景辐射——天文学家称这一能谱区内的辐射为软X射线——有80％被分辨出来，但光学波段上的认证却始终是一个难以解决的观测瓶颈。我们必须在深空光学图像上寻找X射线源的对应天体，但它们常常极其暗弱。然后我们还必须获得它们的光谱，以通过其光谱了解这些天体的性质及其红移(红移是衡量天体距离的一个参数)。没有巨大的凯克望远镜，这项工作根本就无法进行，但对于那些最暗弱的光学对应天体，即使是凯克望远镜的l0米反射镜也难以收集到足够多的光以测定这类天体的光谱。

约有80％的ROSATX射线源被证明是各种各样的活动星系核，多数为发光的类星体及所谓赛弗特一l星系。这些AGN光谱中的宽发射谱线表明我们已经洞悉到最内层的区域，在这些区域中硕大无比的黑洞正在狼吞虎咽地吸入物质。

尘埃弥漫的星系

然而，其余AGN则只显示出很窄的发射谱线或根本就没有发射谱线，这表明气体和尘埃云挡住了我们观测中央黑洞的视线。这些AGN被划为2类类星体或赛弗特一2星系。在AGN的“统一模型”这一框架内，第2类AGN的存在是顺理成章的事情。AGN的统一模型是上世纪80年代中期提出来的，它认为所有的AGN都仅有一个中央黑洞，而且还有一个绕着黑洞的气体与尘埃环。这个环的取向肯可能使它刚好把黑洞挡住。统一模型自提出以后已有了新的版本，但其基本的预测仍是万变不离其宗：我们看到的不是未被掩盖的AGN(即1类AGN)就是被掩盖了的AGN(即2类AGN)。

虽然这些软x射线巡天观测揭示出AGN是占主流地位的X射线背景辐射源，但当天文学家开始运用他们的第2种方法(即星族合成法)来了解背景辐射时，他们遇到了一个似乎自相矛盾的现象。把各种不同类型AGN的光谱按照观测到的各自所占比例迭加起来，其结果理应与CXB的能谱相同。但实际上并非如此。AGN的迭加能谱的形状平坦或呈碗形，而CXB的能谱则在30千电伏处有一个尖峰。

觯决这个矛盾的办法是由意大利波伦亚大学的Giancarlo Setti和法国上普罗旺斯天文台的Lo Woltjer于1989年提出来的，当时他们正在德加尔兴的欧洲南方天文台从事合作研究。他们假设星族合成模拟在把各AGN的能谱迭加起来时所用的比例并不正确。大多数X射线背景辐射源可能属于2类AGN，这与天文学家先前的认识恰好相反。能量更高的X射线(即所谓硬X射线)可以穿透这些黑洞周围的尘埃与气体，而软X射线则被吸收。这样，总的CXB能谱将与明亮AGN的能谱不同。

有了这一想法以后，从事星族合成模拟的研究人员便开始着手寻找能够解释CXB能谱的1类AGN与2类AGN的恰当比例，在这一过程中他们要考虑这些天体是如何随时间的推移而演化的。1995年，当时在马克斯·普朗克地外物理学研究所的Andrea Comastri及其同事们证明，如果黑洞产生的能量的绝大部分(80—90％)被厚厚的气体与尘埃云挡住的话，那么这类模型可以正确地复现300千电子伏以下的能谱。假如确是如此，那么早期宇宙中的AGN就比今天的宇宙要多l00倍，而这一数字与几乎所有星系中都有AGN形成这一情况相吻合。如果没有宇宙X射线背景辐射的话，这样多的AGN或许就会从我们的眼皮底下溜走了。

与此相关的另一个矛盾则涉及到光学背景辐射（COB）和红外背景辐射(CIB)。COB最有可能是各恒星发出的辐射随宇宙的膨胀而红移后迭加的结果。另一方面，CIB则具有温度为l0一l00开氏度的尘埃的能谱(也经过了红移)。尘埃发出的辐射所对应的能量最终必定起源于恒星和AGN。但是CIB却与COB一样明亮，甚至比COB更加明亮。这就好象是月球(它只是反射阳光)亮过了太阳（它是月球反射光的光源)。与前面那个X射线矛盾的解决方法一样，这个矛盾合乎情理的解答是宇宙中很大一部分辐射源被气体和尘埃遮住了。

为了证实这些推论，天文学家一直在考察不受任何遮蔽物影响的波段上的背景辐射，也就是硬X射线辐射。这种强有力的辐射能够穿过尘埃，就好像尘埃本来就不存在一样。两项新上马的大规模X射线观测活动目前正在空间轨道上开展，其中一项是钱德拉X射线天文台卫星（具有极佳的角分辨率），另一项是XMM-卫星（具有很大的望远镜视域），他们把ROSAT卫星所覆盖的波段扩大到高得多的能量范围上（最高达10千电子伏），尽管还没有达到X射线背景辐射的峰值能量。至今为止最灵敏的X射线巡天观测是由钱德拉卫星在两个天区——钱德拉深场南区和哈勃深场北区——进行的，负责这两项观测的是以Giacconi的研究小组以及以宾夕法尼亚大学的Gordon P. Garmire为首的研究小组。这些巡天观测已分辨出了至少80％的硬X射线背景辐射。

寻找对应光学天体的工作才刚刚开始。迄今为止这些辐射源既有l类AGN，也有3类AGN，其比例与模型的的预测吻合得非常好。值得注意的是，钱德拉卫星发现的X射线源约有l0%是非常暗弱的星系，它们可能是不含AGN的正常星系。它们的X射线发射主要来源于被恒星形成过程加热的气体。

“好”邻居ULIRG

上述两种研究背景辐射的主要方法仍有需要改进之处。精细的巡天观测使技术的潜力发挥到了极限，甚至是超负荷地使用技术。而星族合成则是一种相当深奥的方法，因此天文学家研究出了第3种方法：在邻近的宇宙空间中寻找与遥远的2类类星体相对应的天体。

天文学家发现星系NGC 6240就是他们所要搜寻的目标。该星系是银河系邻近区域的一只“害群之马”，它属于一类名为“超亮红外星系”（ultraluminous infrared galaxy，缩写为ULIRG）的星系。此种星系的总能量输出绝大部分是红外辐射，这是一种特殊的证据，表明ULIRG星系充满了尘埃。由于尘埃的成分是由在恒星中合成并且当恒星死亡时被抛射到四周空间的种化学元素组成，因此大量的尘埃就意味着有大量的恒星在形成。银河系每年不过形成区区几颗新恒星，但星系NGC6240每年必定产生数百颗新恒星。NGC 6240不仅被恒星的形成搅得天翻地覆，而且它还有一个狼吞虎咽的黑洞，这个近邻宇宙中最贪吃的黑洞之一也使NGC6240不得安宁。

NGC6240的总能谱的形状与宇宙背景辐射相同。它含有天文学家解释背景辐射所需的所有成份，不过我们仍需把这些成份按正确的比例迭加起来。

天文学家在看破了NGC6240的真面目以后，便意识到近邻宇宙空间中2类AGN出乎意料地多的问题原来有一个合理的解释：AGN总是伴随着恒星的形成而突然增加。恒星喷出大量尘埃，这些尘埃把黑洞遮住，使我们无法看到。事实上，越来越多的证据表明，恒星形成和黑洞吞食在过去比今天普遍得多。这两个过程差不多是在宇宙演化史上的同一时期达到活动最高潮的。

AGN和恒星突增为什么会如影随形地同时出现呢？现在还没有人知道这个问题的答案。这两个过程看来很可能具有一种相同的根源——星系碰撞。星系碰撞使气体沿螺旋形轨道向星系中心接近，进而形成恒星或掉进黑洞中。几乎所肯的ULIRG包括星系NGC 6240都显示出曾经同另外一个星系相碰撞的迹象。但另一方面，看来并非所有的AGN都与这种大碰撞有关联。

许多研究人员认为，AGN和恒星突增之间可能具有更为密切的联系，远远不只是有相同的燃料来源而已。黑洞可能直接为恒星的形成火上浇油而恒星也可能协助黑洞吞入大量物质。恒星和超大质量黑洞甚至可能是共生的，彼此离开对方就不可能存在这种联系或许能够解释星系的性质与其中心黑洞之间的相关性（参看本刊2001年1月号George Musser所著“黑洞事件”一文）。

以NGC 6240及其类似星系的研究成果为依据，天文学家便运用星族合成法来考察AGN和恒星突增是否既能解释X射线背景辐射，又能解释可见光与红外波段上的背景辐射。这个问题的答案看来是否定的。钱德拉和SCNBA仪器的联合观测——后者观测远红外与射频之间的亚毫米波段辐射——未能发现二者有多少重迭。苏格兰爱丁堡皇家天文台的Omar Almaini及其合作者估计，宇宙红外背景辐射至多有30％最终是由AGN产生的。Hasinger及其合作者在综合了XMM与红外空间天文台卫星对洛克曼洞的测量结果以后，把AGN对红外背景辐制贡献的限定在了15％左右。

夏威夷希罗联合天文中心的Elese N. Archibald及其同事认为，这些发现是星系形成的合乎逻辑的结果。他们提出的构想是，每个星系围绕着一个质量较小(10到l000个太阳质量)的种子黑洞形成。最初星光占据了星系总输出能量的大部分，因为那个小黑洞还需要长大。随符黑洞拼命地吞食物质，它以指数速度迅速地膨胀起来。约5亿年后，黑洞已经增长到有10亿个太阳质量，这时掉进洞的物质其辐射的能量便超过了星光，于是一个类星体问世了。再过一段时间，该类星体把所有现存燃料吞食一空，然后进入休眠状态，直至新的气体落入星系中心，使黑洞又活动起来。黑洞也可能同另一个差不多同样大小的黑洞合并。

某些研究人员认为我们可能仍然漏掉了这一复杂拼盘中的某个关键环节，例如非常弥散以至无法直接观测的星系或者是在星系之前形成的恒星等（参看本刊2002年3月号Richard B. Larson与Veker Bromm所著“宇宙中最早的恒星”一文）。有人提出，CXB在非常高的能量波段上的尾部可以用非AGN的其他辐射源来解释。例如，相当一部分伽玛射线可能是由宇宙大尺度结构形成期间被加速到极高速度的电子产生的。

为了彻底弄清形成宇宙背景辐射的各种过程之谜，需要进行更多的精细巡天观测，而为了研究某些已被X射线卫星探测到的天体，新一代观测平台是必不可少的，包括红外望远镜、赫谢耳远红外单远镜、下一代空间望远镜以及Atacama大规模毫米阵列等。计划中的XEUS空间观测项目将要进行的X射线能谱分析可能将起到关键性的作用，因为它或许可以仅凭X射线数据就得出|红移估计值，从而使天文学家能够观测那些在可见光波段上因为过于模糊而根本无法观测到的天体。这类研究工作最终或许可以解释星系位于中心的黑洞之间的神秘联系，推测何者形成在先，并解释恒星形成与黑洞活动有什么样的关系。

明亮的夜空

对背景辐射的研究是天文学中事事都与直觉相矛盾的一个经典例子。单是背景辐射的存在就表明夜空不是乍看起来的那样完全漆黑一团。在人类历史的大部分时期中，夜空的黑暗被认为是理所当然的事情，问题在于它为什么会是这样的。在恒星比比皆是的一个无限宇宙中，不论朝哪个方向看去，最终必定都会碰到个恒星的表面。星光随恒星距离的增大而减弱，但你看得越远看到的恒星便越多，这两种趋势应当恰好相互抵消，这样夜空本应同太阳的表面一样明亮。白昼与黑夜应当融合为一体，没有区别。

Edgar Allan Poe在l848年解答了这个被称为“Olber悖论”的难解之谜。在他的散文诗《我找到了<Eureka>》中，他声称恒星必定还没有足够的时间让它们发出的光充满整个宇宙。因此，夜空的黑暗向我们表明宇宙并不是一直就存在的。Poe的假设不仅经受住了时间的检验，而且最终对大爆炸理论的形成起了至关重要的作用。

但夜空也并非漆黑一团。夜空中充满了宇宙背景辐射。虽然解释背景辐射的研究工作已经取得了很大进展，但还有许多事情要做。19世纪的思想家必须解答夜空为何不亮如白昼这样一个问题，而当代的宇宙学家则必须弄清夜空为什么不是漆黑一团的。

【肖艺农／译 曾少立／校】