互动科普

星际气体云会产生强烈连贯的微波。这种辐射使人能获悉那些原本无法看见的天体的大小、组成和它们离地球的距离。

三十年前，射电天文学家开始探测那些完全不同于他们原先期望观测的信号。1963年,麻省理工学院Alan H. Barrett领导的一个小组发现了来自星际空间受激分子云所发生的射电信号。许多天体物理学家一直认为在星际区域不能形成分子云，但上述小组的发现从另一意义上来看，也是不寻常的。他们探测到的第一种分子——羟基（OH）——所发射的辐射，其形式看上去与统计物理学的规则相矛盾。本该很强的发射线却很弱，本该很弱的却很强。

1965年，伯克利加利福尼亚大学Harold F. Weaver领导的一个小组探测到一种辐射，这种辐射的性质是如此的不同寻常，以致他们把这种辐射物质戏称为“神秘索（mysterium）”，以示其缺乏明确的解释。他们所发现的微波异常明亮，每条发射线占据一个微小的波长范围（与研究人员在其他辐射源中所见到的较宽的波长峰相反）；尽管天体源所发射的光波和射电波通常都由各自在一个不同方向上随机偏振的光子组成，这种辐射却几乎都在同一方向偏振。

然而人们并没有花太长的时间便明白了，“神秘索”的辐射并不是一种新分子的标志，而是星际羟基的一种微波受激发射。脉塞器是1953年才发明的，它是现在无处不在的激光器的前驱。MASER是英文microwave amplification by stimulated emission of radiation（微波受激辐射放大器）的缩略语。微波激射的特征是很狭窄的线宽和偏振性。只有一个增强的星际源才能达到这种亮度。1917年，爱因斯坦大致描述了受激辐射的物理机制，但利用这种现象来进行放大用的装置却很难制作。1964年Charles H. Townes因发明脉塞器而分享了诺贝尔物理学奖。

从那些早期的观测以来，射电天文学家已经从许多不同的星际分子探测到脉塞辐射，其中包括水蒸气、一氧化硅、甲醇，甚至还有氢原子（氢原子是宇宙中最丰富的物质）。脉塞出现在多种天体源中，其范围从彗星直到星系。

用现代射电望远镜以前所未有的分辨率来观测天体脉塞的辐射，提供了用其他方法无法获得的关于它们的发射源的信息。脉塞只有在某些条件下才能形成，因此天文学家能够推断出详细的压力、温度和气体速度等的分布情况。此外，因为脉塞非常小非常明亮，它们起到了小尺度结构的识别标志的作用，否则这些小尺度结构是无法观测的。

在太空中放大更容易

由于偶然的巧合，适宜脉塞形成的条件出现在恒星生命的早期和晚期的拱星云中。在恒星演化过程中，这两个阶段属于最具激变性的，极其明亮的脉塞发射就提供了这两个阶段的宝贵信息。

星际气体云怎么能自发地做到物理学家们在装备充分的实验室里需要几十年才做到的事呢？脉塞和激光（莱塞）产生于一种称为粒子数反转的条件下，其中高能态的原子或分子数超过了低能态的原子或分子数，这是对事物常态的颠倒。于是，反转粒子数对入射光的反应也与传统的行为相反了。当原子和分子遇到具有适当波长的光子时，它们通常会从一个较低能态迁移到一个较高能态。然而在反转粒子数中，大多数原子或分子已经处于较髙能态，因此它们的反应反而是放出一个光子。于是每次发射都触发了额外光子的释放，入射光就被放大而不是被吸收。

实验室的脉塞器和激光器都通过在三个能态中迁移原子或分子来产生粒子数反转：稳定的基态，原子或分子一般占据这一能态；一个短命的较髙能态；一个较长命的中间能态，它是由较髙能态优先衰减成的。某一能源将原子或分子抽运到较高能态，它们又很快从较髙能态回落到中间能态。较长命的中间能态的粒子就逐渐增多，直到它大于处在基态的粒子数，即出现了粒子数反转。原子或分子通过发射出一个光子而从中间能态回落到基态，但没有受激发射时它们只是在十分罕见的情况下才这样做。

粒子数反转还能出现在更复杂的系统中，原子或分子可在4个或更多个能级上循环。事实上，几乎所有的星际脉塞都涉及到这种复杂的构型。由于较长命的中间能态难以获得，在地球上很难实现反转。在常温常压下，气体中的碰撞迫使粒子在各能态中作波兹曼分布：较高能态的粒子数呈指数递减。任何处于激发态的原子或分子当它们与较低能态的邻近原子或分子相互碰撞时会把自己的内能转移给后者，因此任何反转会很快地消除。

对这些平衡状态的偏离，包括粒子数反转在内，都只有在当粒子密度低于一个临界的极小值时才有可能出现。普通空气的密度大致为每立方厘米2×1019个粒子，但以星际羟基波长进行辐射的脉塞器只能在每平方厘米约10万个粒子的密度下才起作用，这为地面空气密度的1014分之一。这一密度虽然与实验室所能达到的最佳真空相似，但比起星际空间的密度却高得多，而且只是以星际云的形式出现于那些区域中。

脉塞提供独特的信息

增强的辐射让天体观察者看到与未增强辐射所产生的图像大为不同的天体景观。这种景观的两个最重要的特征是很髙的亮度和很小的尺度。天文学家衡量一个辐射源的强度采用的是亮度温1015开氏度。

这种壮观的亮度必定来自相当大的增强。虽然具有反转粒子数的任何体积都会增强通过它所传播的辐射，但增强却随着一个光子在行进过程中所遇到的粒子数的增加而急剧增大。脉塞区域的密度必须很低，以便让碰撞率保持很低的水平并允许粒子数反转得以发生。因此，这些脉塞区域的范围（从地球尺度上看）必然是十分巨大的，以提供足够的分子进行增强。一个典型的星际脉塞的跨度大于1.5亿公里，大致等于地球绕日公转轨道的半径。

虽然这样一个体积与一个实验室的脉塞相比是很巨大的，但若与星际距离或与天文学家同其他手段观测到的天文特征的尺度相比却显得很小。包含有恒星形成区域的巨大分子云通常跨度在10到100秒差距之间（一秒差距等于3.26光年，即大约8×1012公里）。它们的核心的直径也许有几秒差距，而恒星形成区本身的直径约为1秒差距。脉塞也许产生于一个不超过1012公里跨度的区域，这是其他仪器所能分辩的最小距离。脉塞簇的跨度也许为1011公里，而单个脉塞点还要小一千倍。

个别脉塞点只占据云的如此小的一部分的原因之一是，在一个区域只有一小部分分子能参与相干脉塞发射。由于星际云中的大多数物质参与了快速紊乱的运动，许多分子不能有效地与某一位置上发射的辐射相作用。当一个移动的分子发出一个光子时，多普勒效应使得该光子的波长发生频移（这一效应也是快速退行的遥远星系发生“红移”的原因）。如果一个光子的波长发生了大于一个微小量的变化，相当于大约每秒1000米的相对运动，它就不能激发其他分子产生辐射，也就不会发生脉塞放大作用。相反，脉塞放大作用只会沿着所有分子碰巧都有着极其相似的速度的那些路径上发生。大多数强大的天体脉塞源都呈现为许多小亮点的集合，好像一群极明亮的萤火虫。每个亮点以一定的频率进行辐射，这一频率相当于一个不同的、完全确定的多普勒频移，该频移标志着亮点相对于地球的运动速度。

然而有些气体云以一种更有序的方式运动。也许最普通的例子是从红巨星表面所吹出来的恒星风。在恒星演化的这一晚期阶段，当它们膨胀到半径大于太阳半径的1000倍以上时，会像漏气的大气球那样喷射出气体。再过大约40亿年太阳本身也将变成一颗红巨星。这些恒星风富含能发出脉塞辐射的分子。每种脉塞分子具有不同的一组能级。每种脉塞分子从适合触发其特定粒子数反转的那部分恒星风中发出辐射。羟基分子从距离恒星大约1011英里的一个气壳处发出脉塞辐射，这一距离大约相当于太阳到冥王星距离的25倍。水蒸汽脉塞从距离恒星大约1010英里的一个区域中发光，一氧化硅脉塞从恰好在恒星大气边缘的上面发光。通过依次调谐到每种脉塞的波长，天文学家就能以比他们能探测到的其他遥远结构的星风要详细得多地探测红巨星风。

红巨星周围的羟基脉塞的强度-频率图有一个明显的双峰形态。“蓝”峰和“红”峰之间的间隔通常对应于大约每秒10英里的速度差。由于该辐射由微波组成，它不是真实的蓝或红，但这些术语源自于可见光的多普勒频移，蓝色位于波谱的髙频端，意味着一个逐渐靠近的源；红色位于波谱的低频端，意味着一个逐渐退行的源。这种特征如此之与众不同，以致它一直被用来证认星系中各区域的红巨星，甚至当恒星本身发出的光辐射被尘埃阻挡时也可使用。

双峰图形自然来自恒星风的径向运动。气壳不同部分的羟基分子向不同方向运动，因此有很大的相对速度。它们不能在辐射上相互作用。相反，在给定半径沿线上的分子却以相似的速度在同一方向上运动，它们相互之间几乎处于静止状态。于是，一个分子发出的光子只会影响同一半径线上的其他分子，而且只有当辐射沿着通过气壳中心的半径线向内和向外传播时才有可能产生脉塞放大作用。

羟基脉塞的发射模式好像一只刺猬，从气体云向外发出的射线像刺猬的刺一样。从任何一个特定位置，观测者只能沿着通向中央恒星的视线探测到气壳上两个区域的发射。前面区域发出的辐射是蓝移的，背后区域发出的辐射是红移的。每个区域都是球面上的一个帽状小区。

由英国乔赛莱尔银行（Jodrell Bank）Roy S. Booth领导的一个小组通过观测一颗称为OH127.8的恒星为这一解释提供了一个十分巧妙的直接证实。这些研究人员既绘制了脉塞发射的双峰图，又绘制了在两峰之间的那些较弱的发生了多普勒频移的“山坡部位”。他们的图清楚地表明，两个强峰的辐射来自视线上紧密的、范围清晰的帽状区域。来自“山坡部位”的较弱辐射覆盖了一个较大的环形区域，推测是来自一个膨胀的气壳。气壳的不完整的成块外貌，反映出脉塞区域偏离了完全的球对称结构。这种不规则性预期应存在于湍流恒星风中。

天文标尺

除了传播出恒星风的详细信息外，红巨星脉塞还提供了它们与成协恒星之间的距离的信息。距离的确定是天文学上最大的难题之一。事实上，宇宙的距离尺度仍然不十分确定。天文学家能十分精确地测量天体的角大小，但他们很难确定相应的沿视线的大小。在十分罕见的情况下当两者都能测定时，就能直接测定到源的距离，但这只不过是线性大小与角大小的比值。

围绕红巨星的羟基脉塞气壳提供了一个这样罕见的机会。许多红巨星以大约一年为周期，有规律地发生亮度的变化。恒星辐射是羟基粒子数反转的抽运泵，因此脉塞强度应该遵循该恒星的暂时模式。红移的和蓝移的谱线显示了一种相匹配的变化，但红移谱线要延迟几周，即脉塞信号从气壳背后传到气壳前面的时间。这种延迟的精确时间标志着该气壳的直径。通过同时测定气壳的角直径和红移蓝移信号之间的延迟，天文学家就可以确定到该恒星的距离。荷兰莱登天文台的Jaap Herman和Harm J. Habing已经使用脉塞观测法测定了银河系中几个红巨星的距离。他们指出，测定其他星系的距离也是有可能的。

由于射电望远镜能分辨小得多的天体特征，因此它们比光学望远镜更为适宜作这种测量。光学望远镜的角分辨率受到大气畸变的限制，只能达到大约1弧秒的台阶，更大的光学望远镜仅仅是能聚集更多的光而已。相反，射电望远镜每增大—点尺寸就能产生更佳的分辨率。

射电天文学家已经研究出一些方法将散布全球各地的射电望远镜所收集到的信号综合起来，形成一个有效孔径达8000英里的望远镜。当这种称为甚长基线干涉法（VLBI）的技术用于射电发射线源时，只有脉塞才具有将多个接收器的信号相联系所必须的足够的强度和狭窄的线宽。甚长基线干涉法将天文角分辨测量提高到一个新的高度，获得的脉塞图像可准确到300微弧秒（假如人类眼睛能有这样髙的分辨能力，你就能从3000英里之上看到本页上的文字了！）此外，射电望远镜还能分辨更为靠近的相邻脉塞点之间的距离——研究人员能区分相距10微弧秒的脉塞源。地球上和月球上的无线电发射机能记录大约1000光年远的分离的发射点。

这种不同寻常的精度使得有可能测定红巨星以外的其他脉塞源的距离。在尘埃云中仍处于形成过程的年轻恒星，在地球上也许无法看到，但在射电天空中它们驱动的脉塞却能发出清晰的光芒。由于天文学家不能设想脉塞源在膨胀的球形气壳中是对称分布，因此测定这些恒星诞生地的距离更为复杂。对于任何一个单独的天体，人们无法知道它沿视线的速度和使之跨越天空运动的横向速度之间的关系。然而，天文学家必须研究一群脉塞源，然后他们才能建立联系这群脉塞源中所有各成员速度的方程。一旦找到了这种相对运动，就可将角速度和多普勒频移联系起来以确定地球到该脉塞源群的最可能的距离。

利用高分辨率甚长基线干涉法，天文学家就能在几个月而不是几十年中探测到脉塞的视运动。跟踪光学源是需要几十年时间的。由Jams M. Moran和Mark Reid领导的集中于哈佛-斯密森天体物理中心的一个小组已经率先对水蒸汽脉塞的运动作了观测。他们所发现的角速度被比作在月球上宇航员的脚趾甲的生长速度，或被比作在木星上蜗牛的爬行速度。圣巴巴拉加利福尼亚大学的Carl R. Gwinn最近绘制了银河系中称为W49（N）的一个恒星形成区域中的最明亮脉塞图。该图画出了每个水蒸汽脉塞特征的位置，以及它们将来最可能的位置和退行或逼近速度。速度和方向的伸展情况显然表明，该脉塞群正从一个共同的中心向外膨胀。由此可以模拟该速度场的完整的三维结构。Gwinn估计，该脉塞群的距离为10.4千秒差距，误差为1.3千秒差距。

该小组还利用这一方法去模拟人马座B2（N）中的水蒸汽脉塞的运动。人马座B2（N）是位于银河系中心附近的一个恒星形成区域。脉塞点分布在大约0.3光年宽的一个区域，距地球约8千秒差距（25000光年）。这个数字是地球到银心距离的唯一直接测定值，已被国际天文联合会所接受。

1993年，哈佛-斯密森小组的成员报道了对另一个星系——M33中的水蒸汽脉塞运动的首批测量结果。他们指望不久便能计算该星系的距离，消除宇宙距离尺度上的一些重大误差源。前不久他们绘制了一个更为遥远的旋涡星系——M106中的脉塞源。对这些脉塞源围绕它们的共同中心旋转的分析得出了一个约为5.4百万秒差距（17.6百万光年）的初步数据。

远景

与其他科学家不同，我们天文学家既不能操纵，又不能接触我们所研究的大多数对象。除了太阳系内的天体外，我们所收集的天体信息只能是它们所发出的辐射。当脉塞辐射能够被我们探测时，它们带来了有关星际结构的独特信息，而且脉塞辐射允许我们观察其他手段所无法看到的小尺度天体物理现象。

干涉测量技术的持续发展，允许研究人员去探测越来越小的细节。最近，美国射电天文学家启用了甚长基线阵。这个阵列包括分布在美国领土上从夏威夷到维尔京群岛之间的十个相同的望远镜。专门用于干涉测量观测，这个阵列能够以超乎寻常的分辨能力像单独一个仪器那样进行运作。

日本和俄罗斯的射电天文学家们目前正致力于更加雄心勃勃的一些甚长基线干涉网路计划，其中包括一架在太空中作轨道飞行的望远镜。甚长基线阵的完成，以及太空基干涉测量技术的美好前景，保证了这些“星际显微镜”的分辨率将继续得到改善。脉塞研究（正如它们所看到的脉塞源那样）将继续扩展，并对星际云、演化着的恒星和遥远星系的内部机制提供不可替代的宝贵信息。

【王世德/译   鲁兰/校】