时光机（第四部分）

现在 3C273 在 X 射线输出中趋于相当稳定，所以我们没有直接证据证明它的大小。但就研究这类物体而言，显然我们的工作已经完成。我们需要解释它们如何在很小的空间内产生巨大的能量。什么可以解释这一点？对于这些最难以置信的物体，最合理的解释似乎很奇怪，类似于银河系中存在的双X射线恒星模型：这个想法是，物质在强烈的引力场的影响下会失去能量并在此过程中释放出大量的辐射，就像水流下尼亚加拉瀑布，失去势能的同时提供了驱动发电机的动力，物质也可以落入恒星引力场并通过与相邻原子碰撞、加热而发光。目前，最流行的模型是类星体附近的物质落入黑洞。但是黑洞不会吞噬它周围的一切吗？这是一个非常普遍的误解，答案是否定的。只有非常接近的物质才会不可避免地被吸入这类物体。事实上，即使太阳突然变成一个黑洞，地球的轨道根本不会改变。但是，其他事情肯定会改变，而且是急着变化。
释放多少能量，取决于引力场的强度以及有多少质量被送入黑洞。黑洞确实没有表面，但这种物质继续产生能量到外界，直到它经过一个称为史瓦西半径（以近一个世纪前研究其特性的德国天文学家的名字命名）的地方。
到黑洞中心的距离为史瓦西半径时，该处逃逸速度将等于光速。因此，试图从黑洞中出来的光将无法通过该处。然而，试图从外部进入的质量会在接近史瓦西半径（也称为事件视界）时疯狂地辐射并失去引力势能，还是类似于从尼亚加拉大瀑布上落下的水，失去重力势能并驱动发电机。尽管对这种情况的正确分析需要使用广义相对论，但事实证明，这个问题的牛顿类比提供了正确的答案：通过使用能量守恒原理，并将任何质量 M 周围的逃逸速度设置为等于光速，我们发现史瓦茨半径是由一个非常简单的公式给出的。史瓦西半径等于2倍万有引力常数乘以物体质量除以c的平方，最终等于每太阳质量三公里。
因此，如果你有一个与太阳质量相等的物体，它的史瓦西半径将是3公里。如果你能将整个太阳质量挤压成半径为3公里或更小的体积，就可以把它变成一个黑洞。请注意，这与仅从太阳中心出发3公里不同，因为该点的封闭质量远小于一个太阳质量。对于质量为个（即10亿个）太阳质量的黑洞，其大小在的数量级，相当于太阳系尺寸的数量级。此外，当一个小质量m从无穷远行进到事件视界时，它可能损失的能量由下式给出：这里我们使用牛顿表达式E=GMm/R来表示无穷处的总势能。现在我们可以通过确定质量m向质量为M的黑洞前进并达到黑洞史瓦西半径时损失的引力势能来估计黑洞的能量输出。比如说，m等于一个太阳质量，黑洞大约是个太阳质量，问题变成：如果物体质量等于太阳，并且在大约一年内被引力从远处加速到个太阳质量的黑洞的史瓦西半径，在这种情况下，黑洞释放出多少能量？好，我们要做的就是代入数字，G是（用上述单位），M约为，太阳质量m是，史瓦西半径大约是，代入后得到能量约等于。因为经过了一年，如果想得到每秒释放的能量，我们要做的是把一年内释放的量除以一年的秒数，约为，你瞧，得到释放的能量约等于。正如观察到的那样，这足以为 3C273 提供能量。因此，我们的画面变成了这样；一个强烈的引力场提供了拉力每年将质量与太阳相等的物质扫入其范围。释放的能量提供了我们看到的来自类星体的X射线、无线电波和可见光。可变性由物体的小尺寸来解释。尽管它比数百个整个星系更亮，但它占据的体积并不比我们的太阳系大。很棒，对吗？事实上，很难表达1960年代早期发现类星体引起的兴奋。马丁施密特的照片甚至出现在时代杂志的封面上。但是对于它们的真实性质也有很多怀疑，比如如果类星体真的是遥远的物体，其所需能量巨大。1970 年代观察到的事情使整个谜题更加令人难以置信，似乎 3C273 又多了一个花招，威胁要破坏我们整个模型。这是什么？似乎喷流中的某种物质以光速的许多倍移动，再次违反了我们关于空间和时间本质的所有想法。记得我们在GK per中遇到了类似的问题。让我们看看欧文斯谷射电天文台和国家射电天文台的研究人员拍摄的 3C273 的射电图，也可以在课程的补充材料部分获得此图像。

射电图(radio map)

看看这一小团向外移动的物质。它的位置似乎在三年内改变了 0.002 角秒。让我们看看这似乎意味着什么。首先，让我们计算一下它在三年内划过天空的距离。所以，我们要计算这个距离 L，我们知道的是，这个角尺寸是 0.002 弧秒，我们也知道它的距离大约是 700 兆秒差距。我们知道怎么处理这些东西，对吧？ L 必须等于Δθ（0.002''）乘以d（距离700Mpc），所以L等于0.002''再次除以206,265（以使该角度成为弧度度量）然后再乘以距离700Mpc，我们要把它转换为光年，所以再乘以3.3，表示一个以光年为单位的距离，结果约为，即距离约为23光年。 L等于23 光年，那么它的速度必须是多少才能实现？如果它在三年内移动了23光年，它的移动速度v大约等于每年8光年或光速的8倍，因为光每年传播一光年。所以看起来它的速度是光速的8倍。怎么会这样？已经提出了几种模型，但最有可能的想法是，斑点不是在我们视线范围内移动，而是几乎沿着视野移动。这似乎更加荒谬，因为它必须移动得更远才能到达我们现在观察到的位置。但是，借助下图可以很容易地看到事态。

光子1

想象这一小团（最上面的射电图）在点O时发射了光子1。光子开始沿着直线向地球前进，100 年后到达 A 点。因此，A 距离 O 有 100 光年。同时，该小团在 B 方向上以几乎（但不等于）光速移动，在101年后到达 B，并在B处发射光子2（就像它一直做的那样，向地球发射光子），光子2也沿直线向地球传播。光子2的路径与光子1的路径平行，而实际发射源（即小团）则以该图中所示的角度继续其路径。在点B观察三角形OBA，小团似乎距离A有8光年，但小团在B点发出的光子实际上只比观察到的来自A的原光子晚一年。所以，从地球的角度来看，这个小团似乎是从A的方向发射光线的，而当那束光在数十亿年后到达我们身边时，来自B的光线会在一年后到达。
我们的模型得救了，但这些与我们认识宇宙历史有何关系？大约 75 年前，当星系的性质终于浮出水面时，人们对这些如岛屿孤立的宇宙所呈现的宁静壮丽感到敬畏。它们庄严地运动，每亿年旋转一次，每个包含多达1000亿颗恒星，呈现出一幅永恒宁静的画卷。事实上，直到 1960 年代流行的宇宙学模型是稳态理论，它假设一个不变的永恒无限空间，新旧物体并排站立，均匀地分布在宇宙的遥远范围内。类星体的发现为这个想法敲响了丧钟。事实上，这些观测的含义是如此奇怪，以至于许多天文学家拒绝相信我们刚刚提出的解释，而是试图解释红移，这意味着距离很远，因此通过其他方式可以输出惊人的能量。这些想法都失败了。许多科学家很不情愿地接受了我们在这里描绘的画面。当发现数百个其他类星体时，一个事实让我们眼前一亮。最近的类星体仍然是 3C273，距离我们超过 20 亿光年。更近的在哪里？为什么它们在宇宙中没有均匀分布？答案似乎很清楚。类星体随时间演化。请记住，我们看到的 C273 是数十亿年前的样子，因为它的距离令人难以置信。因此，如果附近的类星体曾经存在过，例如，在 M31 中，我们看到的只是它一百万年前的样子。但是假设类星体在一段时间后变成了一个星系，如果类星体是早期宇宙的产物，那么只有最遥远的仍然是可见的，因为我们观察到它们活跃时的样子。所以很有可能如果有人从靠近 3C273 的星系观察我们的银河系，他们会将银河系的天体指纹视为类星体，因为他们从银河系观察到的光是20亿年前的。而从他们的角度来看，3C273 将是一个附近的并且可能是一个正常出现的星系。所以毫不夸张地说，类星体是霸道的时光机，带领我们回到宇宙的早期历史，正如我们所见，它似乎与我们今天在我们附近看到的空间区域大不相同。他们描绘了一个发射X射线、光波和无线电波的巨大能量库的历史，让我们看到了作为我们共同遗产一部分的宇宙历史。