2025年高考物理宇宙形成之初的景象

　　[趣味物理]宇宙形成之初的景象

　　我們往往以為，要看到過去，就必須乞靈于時光隧道旅行。其實，這是誤解：由于光的傳遞需要時間，所以只要在晚上仰望穹蒼，那么所見從遠距離來的星光就已經是過去的景象。例如銀河系核心離太陽大約3萬光年，因此目前所見的銀核光譜是在3萬年前，亦即新石器時代出現之前的情況；同樣，距離為5，000萬光年的M87星云在望遠鏡中所顯示的，則是5，000萬年前，即遠在人類出現之前，甚至非洲和南美洲大陸板塊還未分離之時的景象。

　　兩年之前，我們曾在本欄報導，對一個約16億光年之遙的星云的觀測顯示，在16億年前宇宙的背景溫度高達7.4K，遠遠超過目前銀河系附近的2.7K。

　　宇宙從「大爆炸」（thebigbang）形成至今，年齡估計約130億年左右。那么有沒有可能觀察更遙遠，譬如說100億光年以外（亦即100億年以前）的天體，以測定宇宙混沌初開之時的景象呢？以沙弗（P.A.Shaver）為首的一組英國天文學家最近證實，"類星體"在遠距離開始變得稀少，到了相當于宇宙年齡6.5%左右那么遠的距離，它就根本不存在了。類星體是星云互相碰撞或者星云核心塌縮而產生的異常規象，因此必須先有星云才會有類星體出現。但早期宇宙是

　　一個高密度而相對均勻的質球，它需要相當時間才會由于微細的密度漲落和重力作用而產生空間不均勻結構，亦即前星云結構。所以，在宇宙早期星體不可能存在。沙弗的研究結果，多少從實際觀測上證驗了這一構想。

　　其實，在過去二十年間，已經有不少這一方面的工作，但都受到下列問題困擾：遠方星云（包括類星體）以極高徑向速度運動，且速度與距離成正比──這就是由于大爆炸而造成所謂宇宙膨脹。這徑向速度造成了星云光譜的紅移（見方塊中的解釋），但那同時又使得星云所發的光變為紅光，從而論彌漫在星云之間的微塵吸收。因此，見不到極遙遠的類星體很可能是由于上述吸收作用造成，而并非其不存在。

　　沙弗等人解決這個問題的關鍵在于：大部分類星體會同時發出可見光和無線電波，可見光的紅移程度是測定距離所必須的，但它可能被微塵吸收，而無線電波卻不會被吸收。因此，倘若能為每一個可能是類星體的無線電源找到相應的可見光源，并且由是確定其距離，那么就可以有信心確定最遠的類星體距離有類星體（quasars）是1968年發現的特異天體。令人驚詫的是，它亮度（luminosity，即每秒所發出的幅射能量）極高，相當于甚至超過整個星云（每一星云包含10的9次方至10的11次方顆星）。亮度是這樣推算的：由于類星體的譜線顯示了極高的紅移系數z，由是可以推斷它有極高的后退速度；但根據哈勃定律，星體的距離與后退速度成正比，因而又可以推知它有極遠的距離，并且因而可以從它的表觀（apparent）亮度算出它的驚人本有（intrinsic）亮度。另一方面，類星體顯示出極迅速的閃爍。也就是說，它可以在幾秒鐘之內，大幅改變亮度。由于合它表面任何兩點產生同步變化的訊號不能快過光速，所以又可以從它閃爍的特徵時間估計它表面直徑的上限。這樣，就發現類星體的表面積遠小于星云，只和一顆恒星相若。其所以稱為類星體，就是由于其亮度近于星云，大小則像恒星，所以無從簡單判斷其性質和構造。

　　類星體的本質，曾經今天文學家長期感到迷惑。現在他們多少趨向于同意，類星體是所謂活躍星云的核心，亦即是由于星云相撞或者其中心由于重力塌縮而形成巨大黑洞之后，又不斷吸人大量物質所造成的現象。類星體是宇宙進化的產物，所以它出現的高峰，集中在宇宙目前年齡大約20%，亦即宇宙形成之后大約25憶年的時代。在這之后（也就是說，在較接近太陽的距離）類星體密度大大減少，那是早已研究清楚的；至于在此之前類星體密度的減少，則是本文討論的題目。多遠和屬于甚么年代，而不必擔心由于微塵的吸收而有所遺漏了。這一需要有系統和大量高度精密觀測的工作，正就是沙弗小組最近完成的。

　　他們首先將整個南半球天空所有已知具有類星體無線電波譜型的射電源加以精確定位，然后在其位置一一尋找到了相應的可見光源，并且辨明這些光源的形態、紅移程度和距離。這樣所得結果是：最遙遠的類星體的紅移系數是z=4.46，那說明它發光的時間離宇宙形成之初只有89億年，亦即目前宇宙年齡的6.5%左右。在更遠的距離（相當于z>5和更早的年代）盡管還有許多其他發光星體，但具有其特殊無線電譜型的類星體則并不存在。由是證明，早期宇宙是沒有發射強無線電波的類星體的。他們并且認為，有理由相信同樣結果還適用于所有類星體。

　　倘若這一結論可以站得住腳的話，那未我們對星云開始形成的年代也得到了一個估計，即不遲于大爆炸之后8.9億年。

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