第6章 物理科学，从1946年到现在(5)

其他空间观测站也加入哈勃空间望远镜的队伍。康普顿7射线观测站（CGRO），特长是γ射线天文学，1991年发射，2000年完成任务。它携带了四台大型望远镜，有的大如小型汽车，每台都能在特定的能量范围内辨认7射线。这是因为，和所有的辐射一样，V射线只能是在与物质相互作用时才能检测到。因此康普顿γ射线观测站的探测器把探测到的射线转化成可见光的闪烁，再对闪烁进行计数和测量。γ射线在电磁波谱中是能量最大的辐射，从几万电子伏到几百亿电子伏。（相比之下，可见光只有几电子伏。）

在地面上完全不可能探测到宇宙γ射线，因为它不能穿透大气。但是在过去几十年里发现的许多最令人感兴趣的天体，包括类星体、脉冲星和中子星，都释放出大量能量，会产生7射线。天文学家希望通过康普顿γ射线观测站收集到的数据，对它们的结构和机制取得新的认识。科学家甚至想到，γ射线辐射也许是被黑洞吸入的物质发出的，通过这一辐射也许能够对消失前的物质有所了解。

他们还计划建立其他“大型观测站”，以便按电磁波谱的不同区域对宇宙进行快速扫描。也许今天美国宇航局最令人激动的观测站是钱德拉X射线观测站，这是美国宇航局大型观测站系列的另一部分。这个观测站是为了纪念理论物理学家钱德拉塞卡（SubrahmanyanChandrasekhar，1910—1995），一般称之为钱德拉。他出生于印度的拉合尔（现在属巴基斯坦），就学于剑桥大学的三一学院，1933年获博士学位，1953年成为美国公民。钱德拉是一位诺贝尔奖获得者，以其治学严谨和对白矮星的重要研究闻名于世，此外，他还研究了恒星的大气层、结构和动力学。

钱德拉X射线观测站1999年发射后，已经发回了许多清晰图片，作出了许多发现，其中包括第一次拍摄到了正在爆炸的恒星所发出的冲击波全景、白矮星发出的闪光和大星系吞噬小星系的情景。仅仅从太空航天飞机发射出去两个月，它就显示出围绕蟹状脉冲星的中心有一闪耀的环。脉冲星位于蟹状星云内，是超新星爆发后的残余。闪耀的环给科学家提供了脉冲星如何为整个星云供应能量的线索。

天文学家还知道，在银河系中心存在一个质量巨大的黑洞，但是他们从来没有在那个区域找到他们所希望的X射线辐射。钱德拉观测站在银河系中心附近发现一个微弱的X射线源，有可能正是长期寻找的信号。

钱德拉X射线观测站还发现在200万光年远处有一团气体呈漏斗状涌入巨大的黑洞，该气团比科学家预计的要冷得多。正如天文学家唐纳班（Harvey Tananbaum）所说：“钱德拉观测站教会我们去期望观测一切未曾想到过的天体，从太阳系的彗星和附近的白矮星到相距几十亿光年以外的黑洞。”

NASA大型观测站列表望远镜太空行动任务日期哈勃空间望远镜（HST）电磁波谱中的可见光区域以及近红外和紫外部分的天文学1990年；1999年任务延长康普顿γ射线观测站（CGRO）从天体发射的γ射线收集数据，这部分一般是宇宙中最强烈、能量极大的物理过程1991年；2000年退休钱德拉X射线观测站（CXO）观测光谱中的X射线区，研究类星体、黑洞和高温气体之类的天体1999年空间红外望远镜（SIRTF或者斯匹查空间望远镜）捕获被尾随地球轨道的太阳轨道大气阻截的热红外发射2003年詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）大型红外优化望远镜，作为哈勃望远镜的继续2009年（计划）

在2002年里，钱德拉X射线观测站提供了两个星系碰撞的真实记录。由于甚至在我们的银河系中，类似这样的碰撞可能已经多次发生，钱德拉X射线观测站的图像也许对宇宙为什么变成现在这个样子，提供了新的见解。科学家从钱德拉X射线观测站的证据想到，名叫Arp 220的星系的大量新星可能就是这种巨大碰撞融合的结果。星系合并还发送出巨大的冲击波穿过太空的星系际区域，在融合的星系中心形成质量巨大的黑洞。天文学家从钱德拉x射线观测站的信息得出结论，融合已经发生了几千万年，这个时间在宇宙的尺度上并不算长。

2003年8月25日发射了另一台激动人心的观测站，空间红外望远镜［SIRTF，现在重新命名为斯匹查（Spitzer）空间望远镜］。斯匹查专门针对IRAS和ISO顾不上的内容，考察红外谱区，它是对巨型观测站（不包括下一代空间望远镜）的最权威的补充。技术上的最新进展应该可以保证这一观测站成为最大和最有成效的观测站之一。用上这样先进的红外探测器，人们预期可以完成复杂的大面积测绘，它的装备足以使它的扫描速度比任何其他空间船载的红外望远镜快上百万倍。斯匹查还应该能够帮助回答有关恒星和行星形成、类星体等高能天体的起源、星系的形成和演变，以及物质的分布等关键性问题。

星体内部发生了什么事情

贝特是第一流的核物理学家，曾经在他的祖国德国跟随索末菲学习，此外还到剑桥大学跟随过卢瑟福，到罗马跟随过费米。当希特勒上台掌权时，贝特离开德国到了美国，在那里参加原子弹的研制工作，但是他对科学的最大贡献是他在1938年提出的关于恒星内部过程和机制的理论。他运用的是对亚原子物理学的详尽知识和爱丁顿的结论：即恒星越大，内部的压力越大，温度也越高。

贝特的讨论由此开始，先是氢核（质子）和碳核，由此启动了一系列反应，最后导致碳核的重新组合和氦核（一个α粒子）的形成。也就是说，恒星发动机用氢作为燃料，用碳作为催化剂，排出的“灰烬”就是氮。由于类似太阳的恒星大部分都是由氢构成，它们大多都有足够的燃料维持几十亿年。贝特还勾画出了另一幅可能的情景，氢核直接组合在一起，（没有碳催化剂）经过几个步骤再形成氦，这个机制可以在更低的温度下发生。贝特由于太阳和恒星能量生成（他称之为聚变）的研究而获得1967年诺贝尔物理学奖。

1948年，伽莫夫对贝特的思想——核反应为恒星提供能量并且充当它们的辐射能源——发生了兴趣。他和贝特一样，也是经过正规训练的物理学家，但是他对天文学的兴趣从13岁就开始了，那时父亲送给了他一台望远镜。伽莫夫出生于俄罗斯，在欧洲几个大学学习过，在那里他与玻尔和卢瑟福共事过。20世纪30年代转到美国，与原子物理学家泰勒合作，开始在圣路易斯的乔治·华盛顿大学教书，随后决定留下。伽莫夫对此的进一步计算表明，当恒星在这一过程用完基本燃料氢后，星体将变热。他假设，我们的太阳不是逐渐变冷，而是缓慢地变热，最后将把地球上的生命烘烤摧毁，甚至最终把它们吞没。

以太空为基地的对太阳的研究肯定了贝特和伽莫夫的聚变推动恒星的思想，此外还发现了其他许多有关太阳的事实，其中包括由带电原子性粒子组成的太阳风的存在，它不断经过行星吹向太阳系的边缘。1973—1974年间，美国太空实验室空间站有三项太空行动，宇航员最初集中关注太阳，发回了有关太阳活动的75 000张照片，其中包括6张太阳耀斑（太阳能量的爆发性释放）。

星体演化：配恩-伽珀斯金

20世纪天文学家探讨的重大问题中，有一个就是“恒星的生命史是怎样的”。一旦得知恒星经历这样的过程：诞生、年轻时的炽热明亮、渐渐衰老、然后死亡，天文学家就迫切想要揭示其细节。在这些前沿探索者中，有一位妇女名叫配恩·伽珀斯金（Cecilia Payne-Gaposchkin，1900—1979），她在20世纪后半叶被公认为历史上最杰出的、当今最著名的女天文学家之一。

配恩出生于英国的温都沃，1919年获得奖学金进入剑桥大学，在那里受到爱丁顿的激励，投身于天文学。夏普勒邀请她参加哈佛学院天文台，她接受了邀请，在坎农（Annie Jump Cannon，1863—1941）的领导下从事光谱研究。坎农负责哈佛大量恒星光谱照片的分类整理工作。配恩在哈佛完成了博士论文《星体大气》，对于这篇论文，斯特拉夫（Otto Struve，1897—1963）评价为“历史上天文学中写得最好的博士论文”。配恩24岁时，综合了光谱数据和她自己的观测，推导出每一类光谱代表的温度以及恒星大气的成分。配恩是一位杰出的科学家，她喜欢把自己说成野外博物学家，善于“把以前认为是没有联系的各种事实收集在一起，并且看出它们中间的规则”。尽管她从不张扬自己，也从未想过要这样做，然而，她显示的特点却是一个伟大理论家的关键品质之一。

1934年，配恩与拾基·伽珀斯金（Sergei I．Gaposchkin，1898—1984）结婚。他是新近加入哈佛学院天文台的研究变星的专家，他们两人合作写过许多论文。20世纪50年代，配恩还写了三部有关星体演化的重要书籍：《成长中的恒星》（1952年）、《天文学导论》（1953年）和《银河系新星》（1957年）。1956年，她成为哈佛大学教授，是哈佛大学历史上第一位女教授，她还是所在系的第一位主任，当了12年。她的压轴之作是1979年出版的《恒星与星团》。

和大多数专注于自己工作的人一样，科学家有时也会因为忌妒同事取得突破性进展而烦恼。为了避免这种忌妒之情，配恩常常喜欢说，她建议科学家应该扪心自问，他关心的是知识的进步还是自己事业的进步。显然，配恩更倾向于关心知识的进步。

新方法，新发现

1931年，来自俄克拉荷马州的无线电工程师央斯基（Karl Jansky，1905—1950）运用改进过的天线，以确定无线电话联络的干涉源，由此创建了天文学中一门崭新的分支，叫做射电天文学。他在1932年发表了第一篇论文，1933年确定他发现的天体射电辐射来自银河系。

然而，这个领域并没有立时流行。射电天文学最早是从1946年由澳大利亚的欧文（E．G．Bowen）领导的太阳研究开始的。1947年，射电天文学家追踪第一个射电天体，发现它与肉眼观察到的蟹状星云位置吻合。今天天空的射电定位可以用来制作图像，帮助我们“看见”遥远星系和恒星的温度等级和热量分布。

射电望远镜往往用盘状天线收集射电波。然而也有可能，建造射电波天线时不建造盘状天线，这正是央斯基贯彻的思想。英国有一组成功的天文学家，在休伊什（AnthonyHewish，1924—）领导下，就是这样做的。平常射电天文学所用天线是用金属或导线网做成凹面反射区。最有趣的一个是世界上最大的固定盘式射电天线，安装在波多黎各的阿雷西博。这台望远镜建于1963年，天线盘直径1000英尺，占地25英亩。天线盘由40000个单个的反射面板组成，附在钢缆网络上。大量面板把来自太空的入射射电波聚焦于悬挂在天线盘上方的检测平台。近年来，射电天文学家提高了设备的分辨率，办法是建造一排天线，例如新墨西哥州索科洛的巨型阵列（VLA），它是世界上最大的射电望远镜阵列，由27个望远镜天线盘组成，在平地上排列成大Y字形。

射电天文学在第二次世界大战之前并没有真正流行，但是当它流行以后，天文学家开始对这种探索天空的新方法激动万分，射电波可以穿透尘埃云，而尘埃云会吸收太空中的太阳光，从而使光学天文学不易展开。射电波对银河系中心的研究特别有帮助，因为用普通的办法完全看不到它们。

桑达奇和马尔顿·施密特（Maarten Sehmidt，1929—）发现类星体与休伊什和约瑟琳·贝尔（Joeelyn Bell，1943—）发现脉冲星用的手段都是射电天文学。

类星体

20世纪50年代发现了一些致密射电源，但是当时的射电望远镜还不能精确给天体定位，所以很难把这些天体与用光学望远镜得到的可视图像相比较。其中有一个叫做3C273的致密源在1962年正好被月亮遮住，这才得以确定它的位置。桑达奇用帕洛马山顶的200英寸海尔望远镜拍摄到的照片在那个位置显示出一个暗沉的星状天体。

但是这颗星具有不寻常的光谱，它含有不能辨认的吸收谱线。这颗以及后来出现的其他类似的星体就叫做类星射电源，或简称类星体。

1963年，施密特发现，3C2273光谱中的吸收谱线仍然是普通的谱线，只不过向光谱的红端有大规模位移。在以后的年代里，天文学家发现了大量类星体，它们具有特别大的红移量。

恒星的光谱不仅能够揭示它的化学成分，而且从多普勒位移或红移，人们可以推算出它相对于地球的退行速度。许多银河系外的星系在它们的电磁波谱中都有趋向红端的位移，天文学家认为这些是多普勒位移，说明这些系统正以一定的速度远离我们而去，这是对宇宙膨胀的一种肯定。宇宙膨胀引起的红移被称为宇宙红移。如果类星体的红移也是宇宙的，那么它们一定处于非常遥远的地方——可能远在十亿光年之外——这就使它们成为望远镜能够观察到的最远的天体。再有，既然距离如此之远还能观察到，表明它们的能量一定非常巨大。正如哈勃指出的那样，天体离开我们的速度正比于距离。这一结果导致了如下的思想：宇宙产生于一次巨大的爆炸，而星系是向各个方向飞散的残片。这也意味着，观测到的类星体离我们非常非常远。

类星体的发现给天文学家带来了巨大的困惑。这一发现的后果或者是怀疑红移这一天文学准绳的可靠性，或者是同意在什么地方还有我们无法解释的过程。有些已经认出的类星体可能处于十亿光年以外的地方，也许它们是中心极其活跃的星系，但是离我们太远，所以它们看起来似乎是非常暗淡的单个恒星。

然而，并不是所有天文学家都相信，类星体显示了宇宙红移。例如有一位美国天文学家阿普（Halton Arp，1927—），他发现了一系列由一个类星体和一个星系组成的系统，它们似乎在物理上是相互联系的，但在它们的光谱中显示出非常不同的红移。于是他论证说，除了宇宙的膨胀以外，一定还有某种未知的机制在影响这些红移。大多数天文学家相信，类星体具有宇宙红移，而阿普发现的系统只具有表面上的相关性，它们实际上离开地球的距离远不是这样。