宇宙中最神秘的天体——类星体 (一)：发现类星体

何香涛

教授， 北京师范大学天文系，北京 100875

宇宙中最神秘的天体
——类星体 (一)：发现类星体

何香涛

教授， 北京师范大学天文系，北京 100875

神秘的天体；类星体；发现

1963年，美籍荷兰天文学家施米特(Schmidt)揭开了类星体的面纱。作为宇宙中最神秘的天体，经过50多年的研究，关于类星体仍然有很多疑惑。天文学在1960年代的四大发现中，另外三大发现已获得5项诺贝尔奖，为何唯独类星体从没得到诺贝尔奖的青睐？

1 总有疑惑

20世纪60年代，近代天文学开始起航，航队的旗舰便是类星体。近代天文学以四大发现为标志，即类星体、脉冲星、星际分子和宇宙背景辐射。1963年，美籍荷兰天文学家施米特(Schmidt)揭开了类星体的面纱，宇宙中一种崭新的天体被发现。屈指算来，近代天文学已经走过了半个世纪的历程。

神奇的天体，蕴藏在浩瀚的宇宙中，尽管天文学家们勤奋耕耘，天天都有新的发现，但是，所能发现的天体，都只是沧海之一粟。在已发现的各种天体中，最为奇特的莫过于类星体。从类星体发现的第一天起，就引起了全世界天文学家们的关注。有关类星体研究的论文数目，虽然没有做过详尽的统计，但就单一天体而言，肯定是最多的。

类星体的发现已过去半个世纪，天文学家们从观测到理论，不遗余力地工作，但始终无法揭开它的面纱。至今，围绕类星体有四大疑惑，仍无法给出确切的答案：①类星体究竟是一种什么样的天体，是单一的天体，还是有星体组成的星系？②类星体的红移是宇宙学的，还是非宇宙学的？③类星体的能量究竟是怎样产生的？④四大发现中，有三大发现已获得5项诺贝尔奖，唯独对类星体不予授奖，为什么？

2 类星体的发现

人类憎恨战争，因为战争使生灵涂炭，但战争也可以促进生产力的发展，尤其是某些科学的发展。第二次世界大战期间，德国人疯狂之极，几乎征服了整个欧洲。当时唯一没有臣服的大国是英国，当希特勒忙于和前苏联苦战的时候，无时无刻不想除掉这个后院的心腹之患。鉴于一时无法用陆军征服，只能不停地进行空袭。但不久希特勒便发现，每次空袭对方居然都事先有了防范。这令纳粹二号人物格林大为恼火，认为一定是内部出了叛徒。这件事一直到二战结束，仍然是个谜。美国著名战地记者威廉·夏伊勒，曾目睹希特勒的上台、二战的经过和纽伦堡对纳粹战犯的审判，在其名著《第三帝国的兴亡》一书中记述了这件事。

事实上，侦破纳粹每次空袭的不是靠的间谍，而是英国的雷达技术(图1)。当时，英国的雷达技术已经相当先进，海岸预警雷达随时能够监视敌机的到来。突然有一次，英国的预警雷达出现故障，英国军方十分紧张，以为德国造出了破坏雷达的新式武器。后来证实，破坏雷达的“敌人”是来自太阳的射电暴发。这一秘密直到战后才公布，为此有人建议将这一事件的时间——1942年，定为太阳射电天文学的诞生年。

图1 二战时期使用过的雷达

战后，一批为军事服务的科学家转向研究射电天文，使英国的射电天文学在相当长的一段时间内一直处于世界领先地位。其中，最著名的是赖尔(M. Ryle)，他将单个的望远镜串联起来观测天体，使其观测能力成倍地增加，被称为综合孔径技术。赖尔因此获得1974年的诺贝尔奖，是天文界最早的诺贝尔奖得奖人。

英国剑桥大学开始利用射电望远镜(图2)进行巡天观测，寻找天空中发射射电波的天体。由于不知道这些天体是什么，所以把它们统称为“射电源”。被发现的第一个射电源是天鹅座A，它几乎是天空中最强的射电源，后来证实它是一个射电星系。1950年，剑桥大学发表了它的第一个射电源表(The first Cambridge catalogue of radio sources)，简称1C。1C中共包含50个射电源。1955年发表了2C，共包含1936个射电源。但是由于技术上的原因，2C中的这些源大部分都是伪源。1959年，经过重新鉴定，发表了3C。3C射电源表共包含471个源，这些源中实际上已经包含了类星体，当天文学家试图用光学望远镜去辨认这些射电源对应的天体究竟是什么时，类星体的发现已经成了必然。

图2 剑桥大学射电天文望远镜

1960年，美国帕洛玛山天文台的桑德奇(Sandage)首先在三角座找到了3C-48(3C表中的第48号源)的光学对应体。它看上去就像一颗普通的恒星，但它的光谱线很不正常，具有宽的发射线，而一般的恒星都是吸收线。另外，它的紫外波段的辐射也比普通恒星强很多，而且具有光变。

另一位与类星体的发现擦肩而过者是哈扎德(Hazard)，他用设在澳大利亚帕克斯(Parkes)的口径为64 m的射电望远镜(图3)准确地测量了3C-273的位置，用的方法非常巧妙，选择3C-273经过月球的机会，利用月球掩食恒星逐点对3C-273进行观测。结果发现，3C-273是一个射电双源(图4)，中间夹着一颗恒星，恒星的星等有13等。进一步观测还发现3C-273和3C-48一样，也具有宽的发射线，这些发射线也无法证认。

幸运女神最终落到了施密特(Schmidt)头上，施密特是哈扎德的同事，也在帕洛玛山天文台工作。他用该天文台的5 m光学望远镜进一步观测3C-273，准确地测量了每一条发射线的位置。他在一次谈话中告诉作者，他用了6周的时间去思索这些发射线究竟是什么？最终，他恍然大悟，原来这些线就是一些最普通的氢的巴尔末线和电离氧的谱线，只不过向红端方向位移了很多。图5给出了3C-273的光谱图，上方是它本身的光谱，下方是用作波长定标的标准光谱。

图3 位于澳大利亚帕克斯(Parkes)的64 m射电望远镜

图4 3C-273 的光学照片

图5 3C-273的光谱图

天体的光谱线向红端方向位移，叫做红移。红移值Z定义为观测到的波长λ相对于地球上实验室波长λ0的位移比：

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由于λ总是大于λ0，所以叫做红移。表1列出了3C-273的典型发射线及其红移值Z。根据施密特的证认，得出3C-273的红移值Z＝0.158，如此大的红移值，肯定是处在银河系之外的一种新的天体。1963年，施密特将他的工作发表在英国《自然》杂志上[1]。从此，类星体正式被发现。

表1 3C-273的典型发射线及其红移值

3 幸运之神

当人们谈及类星体的发现者时，总忘记不了上面提到的桑德奇和哈扎德。但是，作为正式的发现者，只能是施密特。据说，桑德奇对此感到郁闷，他本人后来不再研究类星体，并且离开了帕洛玛山天文台的主管单位——加州理工学院天文系。他甚至公开宣布，拒绝再使用5 m望远镜。为什么同样是有着丰富观测经验的桑德奇和哈扎德不进一步追问他们发现的新天体究竟是什么呢？原因是旧的概念束缚了他们的思想。在当时，已经发现了天空中有一些强射电源，如天鹅座A和仙后座A。所有这些强射电源在天空中都有一定的大小，而且是处在银河系之内，因此把它们都称为“源”而不是“星”。另一个原因是红移大小的禁锢。3C-48和3C-273的光谱线都很简单，只是谱线的位置发生了红移。红移的概念在当时早已清清楚楚，但是，所有测出的河外星系的红移值都远小于0.1。人们想不到，还有红移大于0.1的河外天体。施密特的功劳恰恰是捅破了这层窗户纸。

幸运之神有时也会开一个玩笑。20世纪80年代初我访问加州理工学院天文系时，曾遇到天文学家格林斯坦(Greenstein)，他是研究恒星大气的权威之一。一次，他对我说“你知道类星体是谁最早发现的吗？”听他的话有些来头，我只好含糊其辞地说：“不是施密特吗？”他很爽快地说“不，是我。我在研究白矮星时就发现了这种天体，认为是特殊的白矮星，等人家公布了才知道原来是类星体。”的确，在类星体正式发现之前3年，1960年格林斯坦和加州理工学院的另一位著名实测天体物理学家欧克(Oke)教授就发现了QSO Ton202。由于当时他们手头的观测资料太多了，根本没有把这颗星当回事，更没有发表。直到1970年，他们才将自己的“过期发现”公布于众(Greenstein J. L., Oke J. B., 1970 Pub. Astro. Soc. Pac 82卷， 898页)。

类星体的命名还有一段有趣的过程。类星体发现之后，人们都从射电源上去寻找。这些射电源的对应体看上去和普通的恒星一样，所以起名为类星射电源。类星射电源有一个共同的特点，它们紫外辐射很强，颜色看上去很蓝。根据这一特点，天文学家开展了用光学方法去寻找这类天体。不久发现，用光学方法找到的这类特殊天体，很大一部分没有射电辐射，或者射电辐射强度很弱。于是，人们把这类天体称作蓝星体。事实上，很多恒星的颜色也很蓝，例如白矮星，它们的光谱能量分布和类星体很相似，这就是为什么格林斯坦在寻找白矮星时找到了类星体。

很快，天文学家们就意识到，类星射电源和蓝星体应该属于一类天体，尽管它们的物理本质当时尚不清楚。于是，共同起了一个概念不明确的名称——类似恒星的天体，英文是“Quasi-Stellar Object”。在一次德克萨斯州举行的“相对论天体物理学讨论会”上，记者要报道这一新的发现，但认为新天体的名称太绕口了。一位华裔美国天文学家立即给这种天体起了一个响亮的英文名字“Quasar”，这个人便是邱宏义。邱宏义是近代留美学者中的一位佼佼者，他在中微子天体物理学方面建树颇多，称得上是开拓者之一。后来，他主编了一本关于恒星演化的文集，被人批评为错误百出。邱宏义咽不下这口气，开始打起了洋官司。从此忙碌于官司，不再写天文文章。但邱先生多才多艺，不写天文文章可以写菜谱，而且还做得一手好菜。我的一位合作者，美国塞罗托洛洛泛美天文台长史密斯(M. Smith)告诉我，他当年的婚礼宴会就是由邱先生主厨的。

美国的《天体物理学报》(Astrophysical Journal, 简称ApJ)是世界上最权威的天文学杂志之一。它当年的主编是钱德拉塞卡(S. Chandrashekhar)，这位美籍印度天文学家是1984年诺贝尔奖的获得者，但思想比较保守。在他任主编期间，一直不允许Quasar一词出现在天体物理学报上。不过，这个新词越来越流行，终于被国际上正式采用了。

Quasar一词在日本被翻译为“凖星”。在中国台湾被翻译为“魁煞星”，是由中国台湾著名学者、原台湾清华大学校长、号称台湾四大公子之一的沈君山先生定名的。我认为这个音译名颇为精彩，全世界的天文学家们努力了将近半个世纪，至今仍然降服不了这个魁煞恶神。

4 中国与类星体

类星体的名字传到中国已经是“文化大革命”开始了，我本人知道类星体还是道听途说来的。大概是“文革”初期在南京开过一次天文界的“革命大批判会”，当时开会，除了批判“走资派”和“资产阶级反动权威”以外，也要以“批判”的眼光介绍一些科学进展，叫做“抓革命，促生产”。在这次会上有人介绍了国外发现了一种新天体——类星体。

我们是改革开放后最早出去的一批，我是被派往英国去的。从北京到伦敦的班机需要途径中东，而中东正在打仗，我们等了一个多月，航线仍然不通。最后，改飞巴黎，在巴黎住了一夜，再前往伦敦。几经周折，总算到了目的地。到英国进修，必须先补习英语，考试合格才能去学校或研究所。我们当时的身份很滑稽，出国前已定名为访问学者，英文的名称是“visiting scholar”。学习一段人家的英语之后，才发现这种英文叫法并不标准。要么就简称为访问者(visitor)，要么就叫访问天文学家(visiting astronomer)等等。在英国的一个小镇又这样折腾了一个多月，由于我的英语较好，提前离开去皇家爱丁堡天文台报到。在此之前都是集体行动，所有的安排都由中国英使馆教育处来负责。后来，一个人去报到，才发现困难不少。爱丁堡是苏格兰的首府，当地人都讲苏格兰英语，像是另一种外语，实在是令人头痛。

皇家爱丁堡天文台是一个十分古老的天文台，建于1818年。在英国，凡冠以皇家名称的都标志着等级至高。英国一共有两个皇家天文台——皇家格林尼治天文台和皇家爱丁堡天文台。英国人对天文学情有独钟，它和大英帝国的历史密切相关。大英帝国称霸世界时，号称日不落帝国，靠的是炮舰到处侵略。海上航行必须要用天文导航。大家都知道，世界经度的划分就以格林尼治天文台为起点。到了20世纪中叶以后，英国的科学技术日渐落后，不仅无法与美国相比，就连苏联、德国、法国等也在许多领域走在了前沿。

在这种形势下，英国的科技战略是保住重点学科。英国科技的最高机构叫做科学与工程研究委员会(Science and Engineering Research Council，SERC)，在它下属的4个部门中，有一个部门就是天文学。我在英国时，SERC的主席曾访问皇家爱丁堡天文台，他在报告中一再强调：即使经费不足，也要保证在天文学的投资。

爱丁堡天文台的研究就是依托它在海外的两台望远镜。夏威夷的红外望远镜主要从事星系和恒星的红外观测。其中，他们对剑桥的3C射电源逐一作了红外测光，取得了关于射电星系的红外辐射的开拓性研究。放在澳大利亚的联合王国施密特望远镜更是成绩斐然。原本只是做南天的巡天观测工作，但他们在望远镜的前面放了一块棱镜，叫做物端棱镜。棱镜的作用是把星光散成光谱，望远镜再把光谱成像在底片上，相当于一台低色散光谱仪。这样的望远镜加上棱镜摄谱仪成的是星象的色散光谱，不需要再加摄谱仪的细缝，因此叫做无缝光谱。无缝光谱的优点是减少了附加光谱仪对光的损耗，可以拍到更暗弱的星光，也就是拍到更远处的天体。这一优点很快变成了这台设备的亮点，可以发现大量的类星体。我到达天文台的时候，这项研究工作刚刚起步，一批从澳大利亚运来的无缝光谱玻璃底片还放在那里。从此，我就开始了用这些底片寻找类星体的工作。

寻找一颗类星体，对我来说的确不是一件容易的事。首先找到该方法的创始人史密斯当年的工作，将他已经发现的类星体作为样本，看看这些类星体的无缝光谱有什么特征，类星体和普通恒星的区别。这是一件非常细微的工作。一颗星体的无缝光谱的实际长度不到2 mm，天体的所有谱线都分布在这2 mm内，再加上每一条光谱线的宽度就是星象的大小，因此，无缝光谱看上去和普通的有缝光谱差别很大，其分辨率极低。但另一方面，也只有用这样低的分辨率去拍照，才能拍下暗弱的类星体。类星体(除3C-273外)的视星等都暗于17等。

工作的难度还在于，类星体本身的光谱并不是一样的，因为每颗类星体的红移大小都不一样，而光谱的形状取决于红移。对于普通恒星来说，其光谱也都不一样，恒星的光谱主要取决于它的光谱型。因此，只有把类星体的光谱和恒星的光谱区分开来，才有可能找到类星体。经过一段时间的努力，我们发现了第一批类星体，文章登在英国的《天文月刊》上[2]，这也是中国人首次发现类星体。

5 自力更生的类星体

发现新的类星体，需要有2 m级的望远镜。中国从20世纪50年代就提出了“大跃进计划”，造望远镜也在“大跃进”的行列之中。要造一架2 m的望远镜，其中最大的困难是必须有一个直径2 m的玻璃镜胚，有了它，才能磨制望远镜。中国自己生产不了这种规格的玻璃，只好从当时的苏联进口。后来，中苏交恶，本来已经买好的镜胚搁置在那里，因为那是“苏修”的东西，将来造出来，算谁的成就呢？不久，“文革”开始了，造望远镜的计划彻底搁浅。改革开放后，大家又想到了这台望远镜，但在制造过程中，那块苏联的镜胚不小心被打碎了，不可思议！于是，一切重新再来。直到1990年，一台2.16 m的国产望远镜总算落成在北京天文台了。

在2 m望远镜完成之前，也就是在1990年之前，中国最大的望远镜只有60 cm，在位于昆明郊区凤凰山上的云南天文台。云南天文台是抗日战争时期修建的，当时南京被日本占领，紫金山天文台的仪器设备迁移到内地，就在这里建立了天文台。我曾在60 cm的望远镜上做了不少观测工作，最大的心愿是想用60 cm望远镜发现一颗类星体。为此，我和云南天文台的岑学奋研究员一起设计了一套新的终端设备，主要是加一套缩焦器。所谓缩焦器，是人为地将望远镜的主焦距缩短。这样就可以提高望远镜的光力，60 cm的望远镜就可以相当于1 m以上的望远镜。根据设计指标，缩焦器加上以后，应该能够发现新的类星体。我们就设计图纸，又请上海天文台的一位光学专家帮助修改，最后由南京的天文仪器厂进行加工。但是因为种种原因，这个计划没有继续。后来，2 m望远镜完成了，再制作这套设备意义也就不大了。

中国自己的2 m望远镜建成以后，发现类星体就成为首要任务之一。要用大望远镜寻找一颗类星体，首先要有类星体的候选体。所谓候选体，是由其他途径找到的可能是类星体的天体。大望远镜拍下候选体的光谱，确认它是不是真的类星体。

中国自己证认的第一颗类星体，其候选体来自ROSAT观测的X射线源。ROSAT是德国发射的一颗专门观测X射线的天文卫星，由它发现的X射线源，很多被确认为是类星体。由2.16 m望远镜发现的这颗类星体编号是“X射线源1057+4316”，其坐标是赤经10°57′48.5″ 、赤纬+43°16′13″，红移Z=0.32。北京天文台赵永恒等人发现的这颗类星体，虽然是一颗很普通的类星体，但在类星体的研究史上，是中国人自力更生发现的第一颗。时间是1994年，距离类星体的发现已经过去了41年。1995年，魏建彦等人又用同样的方法，在2.16 m望远镜上发现了8颗类星体。从此揭开了中国人用自己的望远镜发现类星体的序幕。在亚洲，日本人是最早发现类星体的，比我们早了10年，不过他们的第一颗类星体是由中国人提供的候选体。我在英国时将一颗很有把握的类星体候选体交给他们，在日本的1.8 m望远镜上发现的。当时，我们还没有大的望远镜，无法做这样的证认。后来，我访问日本时，他们发布了一颗类星体，叫“自力更生第一号”，是由日本人自己发现的(图6)。

图6 日本第一颗类星体的证认图，标十字的是类星体

中国人研究类星体，的确和世界的步伐相比慢了几十年。但令我欣慰的是，我能够有幸成为找到类星体的第一个中国人，并帮助日本发现了亚洲第一颗类星体。在我的建议下，那颗类星体被命名为“中国-日本”类星体。

6 迟迟未得的诺贝尔奖

四大发现之后，彻底改变了天文学在自然科学中的地位。传统的自然科学，号称六大学科——数理化天地生。天文学在六大学科中，自吹是最古老的学科，因为人类的农耕要求知道节气，这就需要研究日地的运动规律。但是，天文学毕竟实用价值有限，在自然学科中，不会太受重视。大家知道，天文学没有独立的诺贝尔奖项，是和物理学一起参评。四大发现，居然得了5项诺贝尔物理学奖。其中，脉冲星2项，宇宙背景辐射2项，星际分子1项。令人奇怪的是，四大发现之首的类星体，却一直搁置在那里。

类星体为什么迟迟未得诺贝尔奖，说法不一。一种说法是，类星体本身是一种天体，物理味道不浓。但也说不过去，脉冲星不也是一种天体吗？另一种说法是，类星体的发现者不是唯一的，通常认为发现者是施米特，其实桑德奇和哈扎德的功劳也很大，尤其是桑德奇，他是第一位在美国的5 m望远镜上证认3C射电源表，发现了3C-48的光学对应体。他在文章中写道“它(3C-48)与我们那时候看到的任何天体都不一样，我至少拍摄了五六次光谱，测量了谱线的位置，发现毫无头绪”，“它的光谱有很强的紫外辐射，还有几条又强又宽的奇异发射线，却找不到其对应的元素”。桑德奇的这些言论，虽然感到非常遗憾，但的确证明，他是第一位找到类星体的。将来颁发诺贝尔奖时，是给施米特1个人，还是加上桑德奇给2个人，还是再加上哈扎德给3个人呢？

心中最着急的，当然是施米特本人。人人都知道，诺贝尔奖是不给过世者的。1985年“第16届国际天文学大会”(IAU)在印度召开，同时举行了首届类星体专题讨论会，讨论会在印度南部的电影城邦加洛尔举行。邦加洛尔周围的环境优美，尤其是规模宏大的野生动物园，人骑在大象上漫步在动物园里，欣赏老虎、狮子等各种动物自由奔跑(图7)。施米特夫妇也参加了这次会议。因为早就和他们比较熟悉，我和施米特的夫人谈起了诺贝尔奖的事，这自然引起了她的极大兴趣，她十分感慨地说：“马丁(施米特的名字)一直在努力地工作，多次被邀在各种大型会上做报告，这么重要的发现，也不知是什么原因。”我告诉她，不用着急，天文界的学者都认为很快就会有好消息了。不想，30年都要过去了，类星体依然还是原来的类星体。

图7 作者(右一)和施米特夫妇一起坐在大象上逛野生动物园

(2014年2月25日收稿)■

[1] SCHMIDT M. 3C 273: a star-like object with large red-shift [J]. Nature, 1963, 197: 1040.

[2] HE X T, CANNON R D, PEACOCK J A, et al. A search for quasars in the Virgo cluster region [J]. Mon Not R Astr Soc, 1984, 211: 443-459.

The most mysterious object in our universe—Quasar (I): the discovery of Quasar

HE Xiang-tao
Professor, Department of Astronomy, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

Quasar was discovered in 1963 by M. Schmidt, which is passed more than half century. There are still some difficulties to understand the real quasar. Quasar may be the most mysterious object in our universe. Concerning to get the Nobel prize, the discovery of quasar is still looking forward.

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(编辑：温文)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.03.010