宇宙形成之初的景象

我们经常认为，要想看到过去，我们必须乞求一次旅行，而不仅仅是参观。事实上，这是一个误解:因为光的传输需要时间，只要一个人在晚上看天空，从远处看到的星光已经是过去的事了。例如，银河系的核心距离太阳大约30，000光年，所以到目前为止看到的银核心光谱是30，000年前，在新石器时代出现之前。同样，距离我们5000万光年远的M87星云，在5000万年前，在人类出现之前，甚至在非洲和南美大陆板块分离之前，就已经在望远镜中出现了。两年前，我们在本专栏中报道，对约16亿光年之外的一个星云的观测表明，宇宙的背景温度在16亿年前达到了74K，远远超过了银河系附近目前的2.7K。自从“大爆炸”形成以来，宇宙已经有130亿年的历史了。有没有可能观察更远的物体，比如说，100亿光年之外的物体(也就是100亿年前)，来确定混沌首次出现的场景？由P.A.Shaver领导的一组英国天文学家最近证实，“类星体”在很远的距离开始变得稀少，在相当于宇宙年龄6.5%的距离根本不存在。类星体是由星云碰撞或星云核心坍塌引起的异常现象。因此，类星体出现之前一定有星云。然而，早期宇宙是一个高密度和相对均匀的质量球，由于微小的密度波动和重力，它花了相当长的时间来产生一个空间不均匀的结构，即前星云结构。因此，恒星不可能存在于早期宇宙中。谢弗的研究结果或多或少地从实际观察中证实了这一观点。事实上，在过去的20年里，在这个领域已经有了大量的工作，但是他们都被以下问题困扰着:遥远的星云(包括类星体)以极高的径向速度运动，而且速度与距离成正比——这就是所谓的宇宙大爆炸引起的膨胀。这种径向速度导致星云光谱的红移(见方框中的解释)，但同时它将星云发出的光转化为红光，从而讨论了星云之间散射的尘埃的吸收。因此，没有非常遥远的类星体可能是由于上述吸收，而不是它们的不存在。谢弗和其他人解决这个问题的关键是大多数类星体同时发射可见光和无线电波。可见光的红移对于测量距离是必要的，但它可能被灰尘吸收，而无线电波不会被吸收。因此，如果可以为可能是类星体的每个无线电源找到相应的可见光源，并且距离可以由确定，那么可以有把握地确定最远的类星体距离。类星体是1968年发现的特殊天体。令人惊讶的是，它的亮度(每秒发射的辐射能)非常高，相当于甚至超过整个星云的亮度(每个星云包含10到9次方的恒星和10到11次方的恒星)。亮度计算如下:由于类星体的谱线显示出非常高的红移系数z，可以推断它有非常高的向后速度；然而，根据哈勃定律，恒星的距离与其后退速度成正比，因此可以推断它有很长的距离，因此它的内在亮度可以从它的表观亮度计算出来。另一方面，类星体显示出极快的闪光。换句话说，它可以在几秒钟内极大地改变亮度。由于在其表面的任意两点上产生的同步信号不能快于光速，因此其表面直径的上限可以从其闪烁特征时间来估计。通过这种方式，我们发现类星体的表面积比星云的表面积小得多，只与恒星的表面积相似。它被称为类星体，因为它的亮度接近星云，而且它的大小像一颗恒星，所以不可能简单地判断它的性质和结构。类星体的性质一直困扰着今天的天文学家。现在他们有点倾向于同意类星体是所谓的活动星云的核心，也就是说，这种现象是由于星云的碰撞或它们的中心由于重力而坍塌形成一个巨大的黑洞，以及大量物质的不断吸收。类星体是宇宙进化的产物，所以它的顶峰目前集中在宇宙年龄的20%左右，也就是宇宙形成后的25年左右。在那之后(也就是说，在离太阳更近的地方)，类星体的密度大大降低，这一点早就被清楚地研究过了。至于在此之前类星体密度的下降，是本文讨论的主题。它有多远，属于什么年代，不要担心会因为灰尘的吸收而错过什么。这项工作需要系统和高度精确的观察，最近由谢弗的团队完成。他们首先用类星体的射电频谱在整个南半球的天空中精确地定位了所有已知的射电源，然后在它们的位置上一个接一个地找到了相应的可见光源，并确定了这些光源的形状、红移和距离。结果是最远的类星体的红移系数是z=4.46，这表明它的发光时间距离宇宙形成之初只有89亿年，约为宇宙当前年龄的6.5%。即使在更远的距离有许多其他发光的恒星(相当于z>5和更早的年份)，具有特殊射电频谱的类星体并不存在。这证明在早期宇宙中没有发射强无线电波的类星体。他们也相信有理由相信同样的结果也适用于所有类星体。如果这个结论成立，那么我们也可以估计出星云开始形成的时间，也就是说，不晚于大爆炸后的8.9亿年。