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第21章 宇宙喷流产生之谜

喷泉,五光十色的喷泉,无论春夏秋冬,晴晦晨昏,总是那样美丽诱人,给建筑、庭院增添无限魅力!但你可知道,宇宙中也有着许多千姿百态的“喷泉”,也同样把天文学家“勾引”得梦寐不宁吗?

1917年,美国加州大学利克天文台的柯蒂斯观测到:从室女座方向的椭圆星系M87向西北方向伸出一条细而直的亮束,长达19角秒,很像是它喷出的一束发光流体,喷流由此而得名。囿于当时的仪器水平,无法对此进行更细致的研究,一时也没发现类似的天体,这方面的工作就此沉寂了几十年。直到1971年,天文观测早已扩展到射电波段,人们发现许多河外星系,特别是椭圆星系都有着射电双瓣型的外部结构,为了解释它的形成,英国剑桥天文研究所的里斯才又想起了喷流。他认为:正是由星系中心射出的喷流——多半是双极型的,即朝着两个相反方向同时喷出——把物质和能量带出,形成了发出强烈射电辐射的双瓣。由于有了高精度的射电干涉仪,他的假说不久便得到了观测证实,从此形成了有关喷流的理论研究的热潮,至今不衰。

现在我们知道,喷流是宇宙中相当普遍的一种现象:大的如星系喷流,是一种狭长的电离气体(等离子体)束流,从包含着10亿个太阳质量的星系中心喷出,速度可高达每秒20万千米,即光速的2/3以上,延伸长度达百万光年量级,相当于太阳和地球间距离的100亿倍:由它带出而聚集在一个射电瓣中的能量相当于1000万颗恒星质量全部转化得到的能量,用诸如“宏伟”、“壮观”这些词又何足以表达其规模和气魄的万分之一!小的如银河系内气体、尘埃之中的分子气体双极流,发自质量与太阳同量级的新生原恒星和年轻星,速度为每秒几十到数百千米,长度与太阳、地球间距离相当。至于形态,更是百彩纷呈:直的、弯的、单侧的、双极的,对称的、反对称的,更有大喷流的始端又套着一个小得多的“袖珍”喷流的。造物主莫非也如此醉心于“喷泉”吗?

关于喷流,我们实在知道得还太少。最核心的问题是:它是怎样产生的?迄今已经提出了不下10种假说,各执一见,各有所长,却没有一种得到天文界的公认。尽管如此,我们还是可以根据它们之间大同小异的程度,把它们分为几大类别。

70年代末形成雏形,至今仍有一大批天文学家不断从不同角度加以修补、调整的是吸积—喷口假说。设想有一个黑洞在自转,根据广义相对论的原理,这会造成周围空间的扭曲,引起包围该黑洞的气体绕同一转轴旋转。离中心不同距离处的气体转速不同,于是气体间的摩擦造成两方面的效果:首先,它使气体逐渐沉降到黑洞赤道面上形成盘;其次,在消耗机械能的过程中使气体逐渐向中心“吸积”。黏滞力起作用的过程同时也是机械能转化为热的过程,由于黑洞的“热阱”特别深,所以靠近吸积盘的中心部位,温度特别高,形成强辐射场。很高的辐射压首先沿转轴方向把气体盘“吹透”,形成两个“喷口”,随后不断把气体从喷口喷出,这就是喷流。

这个假说很生动,但也有不少困难。例如,这种辐射场的可见光和紫外辐射应该远大于我们所实际观测到的结果;喷流中源源不断的物质和能量来源似乎略感不足,星系中心还应有着某种我们没有掌握的剧烈活动;喷流能在上万光年的距离上不断加速,这一点好像也还缺乏满意的解释……另一大类的支持者人数较少,他们认为要到电磁作用中去找喷流的成因,一般都求助于磁力线的扭转。例如,东京大学的内田丰提出一种假说,认为宇宙中稀薄的气体在引力的作用下凝聚时,由于磁场对荷电粒子的力作用,总是倾向于形成一个与原始宇宙磁场相垂直的盘,而且由于角动量守恒的缘故,盘总是在自转的。同时,在凝聚的过程中,引力能转化为热,温度升高,根据磁流体力学的理论,磁力线将“冻结”在盘上。于是,旋转的盘就会带着磁力线扭起来,越靠近盘的地方扭得越厉害,或者换句话说,磁场强度的垂直分量越大。我们知道,场是同能量相联系的,靠近盘的地方磁场能量聚集得高,就会产生一种“磁压”,把物质推向外,这就产生了喷流。

还有一些别的假说。有的纯粹是流体力学的;有的设想存在着湍流加速;甚至还有的认为是一个星系在“吞食”伴星系的过程中产生了喷流,同时也得到巨大的物质和能量补充……由于喷流涉及的过程是在非常极端的、地面无法企及的物理条件下(超高密、超高压、超高温等)进行的,无论是星系核还是银河系中刚形成的年轻星都被裹在厚厚的气体或尘埃云中难以观测到,所以,作为它们的外部表现的喷流一旦被人们发现,就引起强烈的好奇和兴趣,不是很容易理解吗?宇宙喷流到底是怎样形成的,目前还是众说纷纭,莫衷一是,但随着观测、理论两方面工作的不断深入,人们终将一步步地接近喷流之谜的最后解答。

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