星系、类星体和大爆炸
6
星系、类星体和大爆炸
奔跑的星系
在每学期的导论性课程中，我总会安排一些体操活动。我要求五个人肩并肩挨着站成一排，与墙成直角。最后一个人左臂弯曲撑在墙上。所有其他人将左手放在他们旁边人的右肩上。听到命令后，他们应该在一秒钟内同时伸出手臂，使自己和旁边的人之间具有一臂长的空间。之后会发生什么呢？
如果每个人都同时伸出手臂，那么直接靠墙站立的学生必须正好向旁边走一步。然而，他旁边的学生必须在相同的时间内向旁边走两步，因为他突然需要离墙远两个臂长。他右边的学生必须在这一秒内向旁边走三步。而最后的那个学生呢？好吧，他被狠狠地推了一把，飞到了一边。一秒钟内走五步，这个要求实在是太过分了。幸运的是，我通常能够拉住他。
这个例子是为了说明当空间膨胀时会发生什么。当学生与学生之间必须增加一块空间时，每个人都会离所有其他人更远。星系与星系之间同理。而且，离得越远的人，他或她就走得越快。这是一个简单的观察，但是，当应用于宇宙时，它像哥白尼、开普勒和牛顿一样彻底改变了我们对世界的看法。
在发表相对论后不久，爱因斯坦发现自己的宇宙有个问题。这个宇宙并不稳定。引力只起吸引作用。因此，一个充满物质的宇宙应该像漏气的热气球一样向内坍缩。今天，这种情形被称为“大挤压”（Big Crunch）或“大坍缩”。
幸运的是，爱因斯坦场方程还有施展花招的余地：其中还可以插入一个自由常数。它对应于一种促使宇宙膨胀的神秘力量，可以视为一种反引力。有了这个所谓的宇宙学常数，爱因斯坦成功地使宇宙在他的模型中免于“大坍缩”的结局，但他对此并不十分满意。
坏消息到这里还没有结束。1922年，俄罗斯物理学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）写信给爱因斯坦说，他不需要什么神秘的常数，就可以在相对论方程的基础上描述一个正在膨胀的宇宙。爱因斯坦拒绝了这种想法。对他来说，宇宙必须是永恒的和静态的。这在当时是有充分理由的。
后来，一位天主教神父的出现，再次动摇了爱因斯坦的基本信念。他不仅从数学上描述了一个膨胀的宇宙，他甚至声称天文学家已经找到了证据。
这位神父是比利时人乔治·勒梅特（Georges Lemaître）。他曾是一名耶稣会学生，在恐怖的第一次世界大战后，他获得神职，在比利时鲁汶学习数学和物理。随后，他在剑桥和波士顿的麻省理工学院（MIT）师从著名的爱丁顿，在那里他还获得了博士学位。
勒梅特是第一个注意到美国人维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）在亚利桑那州洛厄尔天文台发现的星系星云的奇怪特性的人。1917年，斯里弗利用多普勒效应测量了星系的速度。我们在声学中见识过这种效应：如果一辆救护车鸣着响亮的警笛声从我们身边驶过，只要汽车是在向我们驶来的路上，我们听到的音调就会比实际上的更高。一旦它超过我们并远离我们，我们就会听到音调较低的鸣笛声。这个效应对于声音和光都是同样正确的。如果星系向我们飞来，光线就会被压缩而变蓝；如果星系飞离我们，光线就会被拉长而变红。当然，它在两个方向上都总是以光速飞行，但对于地球人的感知来说，颜色有所改变。如果我们现在用光谱仪测量星系光线中的原子指纹，我们也可以测量最小的色移，从而测量星系在视线方向上的速度。
结果是：除了我们的邻居仙女座星系之外，大部分天体的光线都发生了红移。几乎所有的星系都会远离我们而去！这就更奇怪了，不可能是一个巧合。想象一下，如果这是一场盛大的舞会，情形是多么令人费解。大厅里到处都是在舞池里旋转的情侣。那么，向你走来的情侣和从你身边跳走的情侣不是应该一样多吗？如果你发现所有人都在远离你怎么办？你就这么不受欢迎吗？
勒梅特的答案是：问题不在我们；是整个宇宙在膨胀，光也随之膨胀。勒梅特将斯里弗测量的星系速度与哈勃的星系距离联系起来，发现星系离我们越远，飞得越快。距离最远的星系移动得最快——就像我的课堂上游戏时排在最外面的那个学生。
谢天谢地。星系的疯狂飞行并不是源于我们银河系特别令人厌恶的属性，所有任何其他星系的观察者都会发现与我们完全相同的事情。与我教室里的墙壁不同，银河系并不是扎根在宇宙的某个地方，也不是歇在宇宙空间的中心，它像其他人一样在宇宙舞厅的喧嚣中移动。整个宇宙的舞池和大厅一起，一直在扩大。
你也许可以这样想象，如果舞池是一个巨大的气球的表面，情侣们将在气球表面跳舞。随着气球的膨胀，舞池的面积越来越大，所有的舞者都会和其他舞者离得更远。只有紧紧抱在一起的情侣才会在一起，就像银河系和仙女座星系。只有对于他们，相互吸引的力量才比宇宙膨胀的力量更强。
勒梅特在1927年用法语发表了他的结果，引用了哈勃的距离数据。两年后，埃德温·哈勃用几乎相同的数据用英文再次发表了相同的关系。但对于自己用到的斯里弗的测量结果，哈勃未置一词，对于与他当面交谈过的勒梅特他也没有提到过一句。科学史家和同时代的人说：“哈勃在引用时非常有选择性，在他的出版物中没有提到他的同事的工作。”[108]这是一种委婉的说法。在科学界，唯一的硬通货是同事们的提及和认可；不幸的是，像哈勃这样的行为并不罕见，但它依然是非常不道德的。
科学有时就像荷马的古代英雄史诗《伊利亚特》：比你的事迹和你自己的生活更重要的是事后关于你的故事。哈勃成功地在历史上保留了自己的位置。著名的太空望远镜就是以他的名字命名的，而空间膨胀的规律长期以来只是被称为哈勃定律。直到2019年，国际天文学联合会才将其更名为哈勃-勒梅特定律。
哈勃-勒梅特定律决定性地扩大了宇宙的范围。现在可以用它来测量最遥远的星系的距离了。从那时起，数十亿光年就不再是一个问题。如果人们在银河系的光线中找到了原子的光谱指纹，那么光谱线红移就可以代表它的距离。
阿尔伯特·爱因斯坦根本不喜欢这种新的发展，因为这种膨胀意味着，回溯地看，很久以前整个宇宙肯定被压缩成一个点。同样，与黑洞一样，他的方程式产生了一个时间和空间的奇点。宇宙一定有一个开始！勒梅特是第一个敢于提出这个问题的人，并且提出了原始原子的概念。年轻的宇宙就像从一个鸡蛋里出来一样，在几十亿年前从原始原子中产生。
爱因斯坦也不喜欢这样。这听起来不是很像一个牧师的一厢情愿的假想吗？它不是源于《圣经》中的创造概念吗？天主教徒勒梅特受到普遍怀疑。科学家们对他的理论持怀疑态度，有些人甚至嘲笑他的模型是“大爆炸”。所以这个词最初是贬义的，但因为最后它背后的想法确实成立，所以它仍然在使用。在德语中表示“大爆炸”的词汇是“Urknall”，意为原初的爆炸，我认为这是一个更合适的表述。
在一次长谈中，勒梅特试图说服爱因斯坦静态宇宙并不可行。但在很久很久之后，大爆炸理论才被完全接受。我在还是年轻的科研人员时，也遇到过断然拒绝“大爆炸”思想的老牌名人。“随着大爆炸，造物主从棺材里跳出来了”，他们担心。但现在，历史正在不同的背景下重演。在哥白尼和伽利略的时代，梵蒂冈拒绝新的世界观，而到了勒梅特的时代，教皇庇护十二世则在1951年成了新的膨胀宇宙理论的首批支持者之一。
据说，一个旧的理论与它的最后一个反对者一起死去，在这个案例中确实如此。今天，尽管大爆炸之谜仍未解开，但动态、膨胀的宇宙已被科学家们完全接受。
射电天文学的曙光
几千年来，人们只能用肉眼来观看天空。从17世纪开始，光学望远镜开始发挥作用。然而，九十年前，一种全新的技术出现了。它在很短的时间内彻底改变了探索空间的方式。当卡尔·古特·央斯基在1932年发现宇宙无线电信号时，观天的方式立即和以往彻底不同了。人类第一次不是用“可见光”，而是使用来自电磁波谱其他部分的光线“看到”了这个宇宙。天文学家们因此进入了全新的领域，但他们首先必须适应这个领域；许多人对这个新的领域嗤之以鼻。在很长时间后，这门新学科才被接受为天文学的一部分，并确立为射电天文学。新学科的研究仪器被认可为一种望远镜（射电望远镜）也颇费了番工夫。光学望远镜的成像部分一般由镀膜玻璃制成，而射电望远镜的这一部分由钢制成。
今天，人们可以搜索整个电磁波谱的天空，使用到的波段包括射电、红外线、光学、X射线和伽马射线。能量最低的是射电波，其振动频率在0.01千兆赫左右，波长有房子那么大。而在高能量一端是振荡频率为千亿千兆赫的伽马射线，它的波长不到原子尺度的一亿分之一。1千兆赫相当于每秒10亿次的振荡；WiFi传输就是用的这个频率。可见光的振荡频率为500000千兆赫。因此，人们可以把宇宙中的辐射比作宇宙的交响乐，每种辐射的频率都对应着光的“音阶”上的一个音。人类目前掌握的仪器可以覆盖63个八度的频率范围，这相当于一个几乎12米宽的钢琴键盘。然而，在射电天文学出现之前，我们只能听到可见光的音乐，只有一个八度。有了射电望远镜，极低的音符被逐渐加入，使宇宙有了全新的声音。当用射电波段的光观天时，充满天空的就不再只是星光，还突然闪耀起黑洞和大爆炸的光芒。后来，X射线和伽马射线望远镜为天文学增添了高音。
这一类新型天文学的突破始于第二次世界大战之后。这个时间点并非巧合，因为空战刺激了雷达技术的发展。必要的技术有时偏偏是战争的屠戮促成。尽管射电天文学如此迷人，我们决不能忘记其苦涩的起源。战后，无线电天线、碟形接收机和发射器大量出现，天文学家之间开始了一场竞赛。
在随后的几年中，战争时期的工程师为雷达设施所建的巨大的无线电天线主导了研究。在英国，一群前皇家空军成员在伯纳德·洛弗尔（Bernard Lovell）的带领下，开始在焦德雷班克建造一台直径76米的巨型望远镜。由于计算错误，这个项目的规模完全不符合预期目的，遇到了财政困难，洛弗尔甚至担心自己会被关进监狱。但是，1957年的“斯普特尼克危机”拯救了这台望远镜，因为该小组是整个英国唯一能够接收和解码来自苏联这颗世界首个卫星的无线电信号的机构。当然，他们用于破译苏联卫星信号的并不是自己一开始设计的天线，而只用到了一根简单的电线。
荷兰人也开始在这种新的频段下探索天空。他们首先从一个德国雷达系统开始，然后在德文格洛（Dwingeloo）建造了一个25米口径的望远镜，用来测量“亨克”·范德胡斯特预测的氢的21厘米波射电辐射。
澳大利亚在新南威尔士州帕克斯小镇附近建造的一个直径为64米的无线电接收天线创造了历史，它的科学团队付出了极大的努力，成功接收了阿波罗11号登月任务的第一批电视图片。
20世纪70年代，德国射电天文学家在当时的西徳首都波恩旁偏僻的埃菲尔斯伯格村（Effelsberg）建造了世界上最大的移动式射电望远镜，直径达100米。作为运营该仪器的马克斯·普朗克射电天文研究所的博士生，我在那里进行了我的第一次射电天文观测。
有一台射电望远镜甚至更大，即位于波多黎各的阿雷西博天文台的300米天线，它在20世纪60年代已经由美国国防部建成，后来移交给了天文学家。它建在一个山谷盆地里，完全不能移动。因此，人们只能使用它观察到天空中的一小部分。该设施因詹姆斯·邦德电影《黄金眼》（GoldenEye）而闻名，在电影中，它被灌满了水。在2020年，该望远镜的承重钢缆断裂，砸毁了望远镜，它从此宣告报废。
大约同一时间，美国人还建造了一个直径为90米的可移动射电天线。它位于西弗吉尼亚州一个非常偏远的农村地区“绿岸”（Greenbank，又译“格林班克”），该地区被划为无线电静默区。今天，这个地方很受欢迎，尤其是那些害怕无线电辐射的人。在20世纪90年代，由于材料疲劳，该望远镜在一夜之间倒塌了。一位来自波恩的同事[109]在前一天拍摄了望远镜的最后一张照片，并在第二天早上拍摄了废墟的照片。虽然我们天文学家并不迷信，但从那时起，每当他掏出相机时，每个人都会有点紧张！
绿岸望远镜已重建，其现在的直径实际上比德国的100米埃菲尔斯伯格射电望远镜大一米。我一直不太理解多出一米的科学理由，但很明显，这项技术已经到达了它的极限。没有人想要或能够建造更大的望远镜。
尽管如此，我们天文学家迫切需要更大的设施来制作更清晰的图像。望远镜的图像分辨率取决于光的波长和天线的直径：望远镜越大，它能看得越清晰。但随着波长的增加，图像也会变得更加模糊。射电天文学的工作波长比光学天文学要长得多，所以埃菲尔斯伯格的100米望远镜看得并不比人眼更清晰。你不能用它看到一个黑洞。如果你想获得清晰的图像，你必须具有更宏大的计划。解决办法来自射电干涉技术。这涉及将几个望远镜连接在一起，等效于一个巨大的望远镜。
第一次成功的射电干涉测量是在第二次世界大战后由澳大利亚人鲁比·佩恩-斯科特（Ruby Payne-Scott）进行的。虽然她只有一台天线，但她把海面作为一个额外的射电反射镜。1964年，英国人马丁·赖尔（Martin Ryle）在英国建造了1英里射电望远镜（One-Mile Telescope），并因成功地将三台射电天线相互连接起来形成一个大型望远镜而在1971年获得诺贝尔物理学奖。其他射电天文学家进一步完善了赖尔的原理，以获得更清晰的图像。在荷兰，一个由14台25米天线组成的网络建在原韦斯特博克集中营的遗址上。而在美国的新墨西哥州建起了甚大阵（VLA），该阵列总共有27个抛物面镜，它们可以在36千米范围内以各种队形排布。每个单独的天线都有25米的口径，最终使VLA科学家能够使用一个实际等效口径比整个波士顿市还大的望远镜。几十年来，它是天文学的所有领域中产量最高的仪器之一。
最终，天文学家将世界各地的射电望远镜都连接在一起，以达到建立与地球一样大的设施，提供最清晰的天文图像。这项技术在英文中有一个啰唆的全称，即甚长基线干涉测量法（Very Long Baseline Interferometry），但天文学家通常将其简称为VLBI。“甚长基线”之所以有这样的名字，是因为该技术中需要协作的望远镜有时相距甚远。具有环球尺度的望远镜都是用这种技术组合出来的，也正是用这种技术，我们最终成功地捕捉到了黑洞的图像。
发现宇宙“巨怪”——类星体
通过射电天文学，天文学家们取得了全新的发现。仿佛他们在触觉、嗅觉、味觉、视觉和听觉之外，还意外地拥有第六感。很快，他们开始系统地搜索天空中的射电源。突然间，天文学家们发现了数以千计的新天体，而没有人知道它们到底是什么。起初，他们认为它们一定是恒星。它们还能是什么呢？
在澳大利亚，约翰·博尔顿（John Bolton）从梅西叶天体M87的方向拾取了射电辐射，并声称它是我们银河系的一部分，尽管他私下认为M87自己就是一个星系。由于害怕被打入另册[110]，他不敢告诉他的同事这个射电信号是跨越数千万光年的距离到达我们这里的。因为如果一个物体是如此遥远，这种射电辐射要有多强？什么天体，什么星系，什么太空中的神秘物体能产生如此高的辐射量？这种想法太激进了。
仅仅十年之后，博尔顿的恐惧就消失了，而所谓射电星系的存在早已被接受，其中有M87和天鹅座A星系。如果不怀疑哈勃-勒梅特定律的话，天鹅座A星系距离地球的距离必须达到惊人的7.5亿光年。巨大的兴奋在天文学家中蔓延开来，因为这种仅仅利用了几年的射电光，使人类能够看到太空的最深处，同时也看到了宇宙的过去。
来自剑桥大学的研究人员编制了一份包括所有射电源的大型目录。第一个版本的目录仍然太小，第二个版本包含许多错误，但第三个版本，称为3C，构成了许多研究的基础。新的射电星和射电星系一如既往地被简单编号。但没有人对究竟是什么造成了射电辐射有哪怕是模糊的概念。这些神秘天体的形象仍然极其模糊，对其位置的确定也极其不精确。人们发现，辐射本身是由几乎是光速的电子产生的，这些电子在宇宙磁场中被偏转。这个过程从被称为同步加速器的地面粒子加速器中得知，因此这种射电辐射被称为同步加速辐射。(https://www.daowen.com)
一些射电源被拉长了，看起来像哑铃，其他的看起来似乎很小，是像恒星一样的点。当改变波段时，在天体3C 48的位置确实在可见光中检测到了类似于恒星的东西。然而，对这些假定的恒星的光谱分析提供了更多的问题而不是答案：天体3C 48显示了未知波长的发射线。光线中的“条形码”无法分配给任何已知的元素。在太空中发现了一种新的元素吗？
约翰·博尔顿和他的合著者杰西·格林斯坦（Jesse Greenstein）曾短暂地考虑过这是否可能是来自氢的红移光，但即使是这样也显得过于极端。因为这样的话，这个物体就必须在45亿光年以外的空间。“人们都说我是激进分子，我害怕再和极端的想法沾边。”格林斯坦后来说。
反对难以置信的长距离假说的最有力的论据是：光点在短短几个月内就急剧改变了它的亮度。它不可能是一个星系！毕竟，相隔数十万光年的数十亿颗恒星怎么可能总是在时间上一起变化，以至于它们共同的光在一个月内几乎同时变得更亮或更暗？
想象一下，如果地球上所有80亿人都拍一次手，我们永远不会听到短暂而清晰的一声巨响，而只会听到低沉而持久的咕隆声，因为声音会从地球的各个角落传播，但永远不会同时到达接收器。
至少，可以从声音持续的长度和声音的速度来估计声源的大小。声音时长越短，它所来自的空间一定越小。如果我听到一秒钟长的拍手声，那么所有的人一定是坐在一个体育场里，因为那里的大小只相当于大约一秒的声音能够走过的距离。当然，更小的场馆也可以。对于不同的光源也是这样的。如果它们在一个月内有变化，就不可能比光在一个月内走过的距离大。这个距离比太阳和最近的恒星之间的距离小得多。因此，3C 48必须是一颗恒星，不然还能怎样呢？
研究人员随后将注意力转向目录中下一个最亮的射电源：3C 273。为了确定它的确切位置，澳大利亚帕克斯天文台的射电天文学家从月亮那里借了个巧劲。月球的轨道恰好与这个类星体在天空中的位置交叉。当地球的这颗天然卫星在射电源前面移动时，信号会在巨大天线的接收机上短暂地消失。这就像日食一样，只是在这里，月亮遮挡的是神秘的射电天体而不是太阳。
在射电信号消失的确切时刻，天文学家可以得到该天体的第一个坐标：这个位置一定是在月球前缘的某个地方。当月球转过3C 273，射电信号再次出现时，第二个位置坐标也有了。由于天文学家知道月球的大小和确切位置，他们可以利用两个坐标的交点来计算3C 273的确切位置。
顺便说一句，虽然3C 273是天空中最亮的射电源之一，但在手机的频段上，它的亮度只有放在月球上的LTE手机的5倍（此数据从地球上测量）。知道了3C 273的位置，帕萨迪纳加州理工学院的荷兰天文学家马尔滕·施密特（Maarten Schmidt）就用帕洛玛山望远镜搜索了该区域。他在室女座发现了一颗相当明亮的恒星，其亮度足以让今天的业余天文学家用一台差不多够用的望远镜找到。施密特立即记录了这个恒星的光谱。它的“条形码”同样异乎寻常。6个星期后，他终于从光谱中辨认出了一组模式：确凿无疑，这一组是氢的谱线。发出这样的光谱的天体一定是在几乎无法想象的20亿光年之外。然而，宇宙的膨胀将光线拉得很长，使它的波长红移了16%，出现在了一个没有人想到的地方。
因为数据是如此之好，施密特大胆地发表它们。他可能并不知道这颗宇宙之星应该是什么，但这没什么大不了的。毕竟，这个天体只是看起来像一颗恒星，但很可能不是恒星。由于缺乏更好的术语，他干脆把它称为“类星射电源”或QSR。在天文学家的俚语中，它有了一个俗称叫“类星体”。施密特后来说：“就像眼前的百叶窗忽然揭开了一样，我们意识到一颗恒星不是恒星。”[111]
我们今天很难想象这一发现所引起的兴奋。可见的宇宙的地平线再一次巨大地扩张，宇宙真的爆炸过。
整个宇宙似乎都在随着时间的推移而变化和发展。100亿年前是类星体的时代。那时是类星体活动的高峰。类星体的数量在宇宙的前40亿年里迅速增加，照亮了整个宇宙。在随后的时期，类星体又接连灭绝了。
但3C 273究竟是什么？结论是戏剧性的。如果在如此巨大的距离上仍能在地球上看到3C 273如此明亮的光芒，那么它必须比通常的一整个星系的亮度大100倍。而如果这颗像恒星一样的光源的闪烁周期在几周和几个月之间，那么它的尺度不可能比一个光月大多少——可能只有一个太阳系那么大。
天文学家们恍然大悟，那么3C 273一定是一个非常邪恶的地方。这个家伙发出了难以想象的巨大能量。而所有这些能量都来自宇宙中一个相对较小的点。在这么小的空间里，怎么能产生这么多的能量？不管这些类星体可能是什么，最初，连最聪明的天文学家都对它束手无策。在天体物理学中，还没有人遇到过这样的巨无霸。
一些科学家很快就想到了宇宙中最伟大的力量——引力。如果某样东西发出如此耀眼的光芒，它的质量一定大得无与伦比。阿瑟·爱丁顿爵士最初在研究恒星时讨论了这个课题。由于光也会施加压力，如果一颗恒星发出的光太多，它就会爆裂——就像气球吹得太鼓就会爆裂一样。鉴于其自身的亮度，只有极为巨大的引力才能将这样一个如此明亮的天体束缚在一起。
如果用爱丁顿的方法来计算维持一个类星体所需的最小质量，结果是几乎有10亿个太阳那么多。这让人抓狂。几十亿个太阳的光和几十亿个太阳的质量有可能塞进一个太阳系的空间里吗？
在发现类星体的6年后，英国天体物理学家唐纳德·林登-贝尔（Donald Lynden-Bell）对解决这些矛盾有了想法。如果在星系的中心有超大质量的黑洞呢？不是那种由单个超新星产生的小型恒星黑洞，而是数十亿恒星的尸体融合成的超级巨无霸。这样的天体就可以释放出如此多的能量，而不会同时被撕碎。而且它的体积也足够小。另外，英国数学家、理论物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）也已经证明了，广义相对论可以直接推导出黑洞的形成。
但一个巨大的黑洞怎么会有辐射呢？它不应该是黑色的吗？是的，黑洞本身是黑暗的，但被它吸引并即将消失在其中的气体却不是。事实上，这些气体正携带着巨大的能量向黑洞急速飞去，被引力能、角动量和磁摩擦所加热。黑洞在这方面的效率令人难以置信，因为它们把一切都加速到几乎是光速。
让我们想象一个拳头大小的金属地掷球。如果我们把它扔向球场，它就会砰然落地，并留下一处凹陷。如果我们把同样的球放进大炮里，以每秒1000米的速度发射，球能穿透墙壁。如果我们把这个球扔向黑洞，它的速度几乎达到光速，又会发生什么？它的速度将是大炮射击出来的球的30万倍。但由于动能随速度的平方增加，现在它会比之前多近1000亿倍的能量[112]。这样一来，地掷球的总能量将达到约100亿千瓦时。一个这样的球的冲击能量可以为德国300万个家庭提供一年的能源。
这听起来难以想象，但黑洞可以做到这一点。当灰尘和气体进入黑洞的引力范围时，就会产生一个由气体和磁场组成的湍流盘，即所谓的吸积盘，就像在年轻恒星的形成过程中一样。而这个巨大的漩涡绕着黑洞飞驰，其内边缘的速度只比光速稍慢。气体由于磁摩擦而加热，并发出耀眼的光。这个所谓的“黑”洞像一颗明亮的蓝星[113]一样发光。一小部分流向黑洞的热等离子体被磁场射入太空，形成巨大的发光喷流（它们的外观也确实类似于飞机的尾迹）。这样看来，只有少数幸运的粒子成功地逃离黑洞，做到了所有其他粒子做不到的事情。和日冕中的情形类似，这些粒子被磁场加速，并发出明亮的同步辐射。我们在射电望远镜中看到的类星体正是这些磁化喷流。这些炽热的喷流方向对准我们，不断发出射电辐射。
这类引力漩涡及其喷流的效率是巨大的，比恒星中的核聚变高50倍。因此，黑洞是宇宙中最有效的发电厂。我们可以留着地掷球，而把一升水倒入黑洞，等同为一个数百万人的城市提供一年的能量。我有水，但不幸的是，我仍然缺少一个触手可及的黑洞。否则，人类所有的能源问题都会一下子得到解决。
类星体无比饥渴。它们每秒钟吞噬的水量相当于地球全部水量的45倍，相当于每年吞下整个太阳的质量。黑洞的运作方式也不太讲究可持续性。黑洞吞噬的水无法回收再利用，消失了就是消失了。一个黑洞是极其自私的，每吃一口，它只会变得更重、更大、更有吸引力、更具威胁性。
那么，通过3C 273，天文学家就间接地发现了第一个黑洞。但是，科学界里并不是每个人都认可黑洞存在的假设。几十年过去后，这一理论才能成为范式。那时，一些人认为类星体是由星系喷出的恒星物质。对今天的天文学家来说，这些都是离奇的理论，但它们确实被讨论过，因为通往最终证明的道路还很漫长。
测量大爆炸
在发现类星体的同时，我们对整个宇宙的理解也开始迅速提升。1964年，阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·伍德罗·威尔逊（Robert Woodrow Wilson）开始在贝尔实验室用电信天线聆听天空的无线电噪声。该天线类似于一个超大的监听管。一开始，他们对天线里传来的东西一点也不满意，因为从各个方向他们都收到微弱的、持续的干扰性噪声。他们检查了所有的电缆，赶走了鸽子，清理了天线上的鸽子粪便——但嘈杂的信号仍然存在。最后，他们得出结论，存在宇宙微波背景噪声，因为辐射均匀地来自太空。假如有一块横跨整个天空的黑色不透明幕布，那么它发出的热辐射将与之完全对应。在绝对开尔文温标上，它的温度大约是3开尔文。这相当于零下270摄氏度，仅比绝对零度高3摄氏度，在这个温度上什么都动弹不了！这就是为什么宇宙微波背景辐射被称为3K或3开辐射。它是大爆炸火球的残余物。彭齐亚斯和威尔逊后来因此获得了诺贝尔奖。
在宇宙的早期阶段，空间充满了极热且不透明的气体。质子和电子疯狂地飞来飞去。但宇宙随着膨胀越来越冷。大爆炸后38万年，宇宙只有大约3000开尔文的温度——就像烧红的钢铁一样热，但冷到足以让质子以其电磁吸引力捕获电子并形成第一个原子。现在，空间成为氢原子的海洋，而且变得透明。
之前像小天线一样散射所有光线的自由电子，突然被困于原子中；电子帷幕被撇在一边，光线重获自由，此后一路畅通无阻地照向我们。随着宇宙的扩张，我们离这些光越来越远了。现在到达我们身边的光波在其138亿年的宇宙膨胀马拉松过程中被拉开了1000倍，并从那时起一直在变冷。我们现在收到的不是对应3000开的波，而是超冷的3开辐射。大爆炸的热辐射在到达我们这里时已经变得冷若冰霜。但通过它，我们回望宇宙的原始时代，当时的宇宙就像一个坚不可摧的、比炼钢炉更热的大锅。我们不能看到更久远的过去，也不能看得更远。宇宙微波背景的发现出乎很多人的意料，后来成了大爆炸模型的决定性证据：我们所看的正是空间和时间的开始。
在20世纪90年代，COBE卫星[114]极其精确地测量了宇宙微波辐射，发现了辐射强度的微小起伏。它们是由原始的氢海中的涟漪造成的。这些涟漪就是之后的第一批超级团块的前身。在宇宙进一步的历史进程中，这些巨大的团块凝聚成了星系和星系团。利用美国航天局WMAP[115]和欧空局的普朗克卫星，以及许多其他实验，这些日后形成当今星系的种子现已得到详细测量，使我们对宇宙的历史和结构有了细致入微的了解。
事实上，在20世纪80年代末以来进行的大尺度巡天观测中，天文学家发现宇宙中的星系并不是均匀分布的，而是呈丝状结构分布，或是聚集于大型星团中。因此，星系比你想象的更有群居性和吸引力，经常一大伙堆在一起。
当然，这些星系团中的星系并不是静止不动的，而是在引力的影响下四处走动、打成一片。它们经常以每秒超过1000千米的速度互相追逐。在数十亿年的时间尺度上看，星系也像活泼的鱼群一样在移动：有时甚至是两个或三个星系相互融合，形成一个新的更大的星系，并呈现出一个巨大的球体或粗大的雪茄的形状。我们称它们为椭圆星系；M87星系就是其中之一。然而，由于星系内部的恒星相距甚远，它们几乎从未发生碰撞，只能感受到其他恒星的引力。
重型星系下沉到星系团的中心，体积增大。它们的黑洞也会合并。因此，最大和最重的星系往往位于一个星系团的中心，并承载着宇宙中最大的那一类黑洞。它们是巨人中的巨怪。这也是M87在室女星系团中心形成的过程（室女星系团是我们附近最大的星系团）。综上所述，在宇宙中的所有超级重量级的星系和黑洞中，M87是离我们最近的一个。
不过实际上，这些星系移动得太快了。早在1933年在加州理工学院做研究时，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）就注意到这一点了。星系中的恒星的引力不足以将星系固定在原地——事实上，恒星应该向各个方向分散开来。但它们并没有这样做。所以，一定存在某种神秘的力量在阻止它们、压制它们。如果这种力量是引力，那么在那里一定有一些看不见的神秘暗物质，而且它们的质量还比我们知道的正常物质多出5到10倍。
在20世纪70年代，天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）利用光学望远镜和多普勒效应来测量星系的移动速度。它们的旋转速度似乎比理论上预计的要快一点。在用韦斯特博克的新射电干涉仪调查了这一现象时，荷兰科学家阿尔伯特·博斯马（Albert Bosma）也证实了这一点。通过射电望远镜，他看到了尚未形成恒星的气体，这些气体比用光学望远镜看到的星系延伸得更远。但是，同样地，一切都旋转得太快了。星系中必须充满暗物质。没有它，星系无法维系，而是会像中餐馆里的转桌一样，转得太快时，上面的汤碗就会向外飞散。
时至今日，我们还不知道暗物质是怎么回事。一些天文学家认为该理论是无稽之谈，声称它根本不存在。他们说，相反，引力定律在银河系范围内根本就是错误的。然而，大多数天文学家现在认为，暗物质是由一个尚不清楚的基本粒子族组成的。
在20世纪90年代，系统性巡天测量得到了全天区的超新星亮度数据，但事情却变得让人更加摸不着头脑了。测量结果显示，超新星的光芒远没有人们根据宇宙膨胀和哈勃-勒梅特定律所预期的那么亮。超新星比我们估计的距离更远吗？如果是这样，宇宙的膨胀速度就得比之前估计的要快。从那时起，暗能量也成为我们物理天文学世界观的一部分：一种未知的、神秘的能量，正在推动宇宙越来越快地膨胀。起初，这种黑暗的力量已经作为宇宙学常数隐藏在爱因斯坦的方程里了，但后来，他又把它作为他“最大的愚蠢”抛弃了。
对宇宙的最新模拟和测量证实，在宇宙的所有物质中，大约85%属于暗物质；15%是正常物质，即我们所熟知的所谓重子物质。此外，暗能量中的能量比暗物质和正常物质加起来的能量多一倍以上。毕竟，根据爱因斯坦的著名公式E=mc2，质量等价于能量。因此，宇宙总能量中只有百分之五是以我们在地球上所知的物质形式存在的（即元素周期表上的原子和元素）。对其余绝大多数能量的来源，我们简直两眼一抹黑。
天文学家也经常把这一发现描述为另一场哥白尼革命：人不在宇宙的中心，也不在银河系的中心，也不在我们的太阳系的中心。论及构成的物质，他和他的全部世界相对于整个宇宙来说，也堪称异类。但我更愿意反过来看：这说明我们是由非常特殊的纱线编织而成的。
暗物质、暗能量与黑洞没有直接的关系，尽管它们可能看起来同样神秘和黑暗。然而，暗物质当然可以落入黑洞，并导致其增长。这可能只发生在非常小的范围内，因为暗物质非常稀薄，广泛分布在星系的中心。暗能量也只能在宇宙的大尺度上读取，原则上不应该改变黑洞的结构——就像一股空气不可能在短期内真正推倒珠穆朗玛峰，尽管地球上的整个空气质量比那座山重10000倍。然而，暗能量和暗物质的未知性质给我们指出了我们对物理学理解的差距。一个将暗物质和暗能量考虑在内的新的空间和时间理论也可能改变黑洞的方程式。
[108]参见论文：Emilio Elizalde, “Reasons in Favor of a Hubble-Lemaître-Slipher’s(HLS) Law,” Symmetry 11 (2019): 15, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019Symm…11…35E。
[109]Richard Porcas是最后一个拍摄到绿岸的90米口径望远镜的人。这张照片长期以来一直被挂在波恩的马普射电天文研究所（MPIfR）的走廊里。
[110]参见文章：Ken Kellermann, “The Road to Quasars” (lecture, Caltech Symposium: “50 Years of Quasars,” September 9, 2013), https://sites.astro.caltech.edu/q50/pdfs/Kellermann.pdf。
[111]参见讲稿：Maarten Schmidt, “The Discovery of Quasars” (lecture, Caltech Symposium: “50 Years of Quasars,” September 9, 2013), https://sites.astro.caltech.edu/q50/Program.html。
[112]在非相对论情况动能随速度的平方增加，对相对论性运动并非如此。不过，作者在这里的粗略估计依然是大致正确的。——译者注
[113]蓝星（blue star），是一类最为明亮和炽热的恒星。——译者注
[114]即“宇宙背景探测器”（Cosmic Background Explorer）。——译者注
[115]即“威尔金森微波各向异性探测器”（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）。——译者注
