何香濤

北京師范大學(xué)天文系，北京 100875

宇宙中最神秘的天體
——類星體(二): 尋找類星體

何香濤?

北京師范大學(xué)天文系，北京 100875

利用第二次世界大戰(zhàn)中的無線電技術(shù)，射電天文學(xué)在戰(zhàn)后得以蓬勃發(fā)展。1963年，通過證認3 C 射電源表，發(fā)現(xiàn)了類星體。類星體在各電磁波段都有輻射，因此有多種方法可以尋找類星體。作者利用無縫光譜方法，找到第一顆中國人的類星體，并首次使用美國的海耳5 m望遠鏡。

類星體，海耳5 m望遠鏡，無縫光譜方法

1 發(fā)現(xiàn)類星體靠射電，找類星體靠光學(xué)

美國著名的貝爾實驗室是一家從事電話和通信業(yè)務(wù)的公司，為了提高自己公司的技術(shù)水平，雇用了很多高科技人才，進行了大量的探索性實驗。這些實驗成果，不僅產(chǎn)生了巨大的商業(yè)利益，更造就了許多頂尖的自然科學(xué)成果，而射電天文學(xué)尤其突出。

1931年，在貝爾實驗室工作的無線電工程師卡爾?央斯基(Karl Guthe Jansky)(圖1)，用可移動天線尋找越洋電話的干擾源(他剛開辟了跨大西洋的長途電話)想搜尋有哪些外界干擾因素影響通信。他驚奇地發(fā)現(xiàn)，除了雷電干擾之外，還有一個固定的噪音源，這個干擾信號每天來一次。這里的“每天”不是24 h，而是23 h 56 min 04 s。比平常的一天短了約4 min，說明這個干擾源不是來自太陽系，而是來自銀河系。因為地球的自轉(zhuǎn)周期，相對于太陽是24 h，相對于銀河系正好是23 h 56 min 04 s。反復(fù)測量證實，這個干擾信號來自銀河系，而且是銀河系的中心方向。1932年，央斯基發(fā)表文章，斷言這是來自銀河系中心的宇宙射電輻射，從此，射電天文學(xué)宣告誕生。

央斯基的發(fā)現(xiàn)在當時并沒有引起人們的關(guān)注。過了若干年后，雷伯——也是一位無線電工程師——制造了一架拋物面天線，用近十年的時間對天空中的無線電輻射進行巡天式的觀測，并繪出全天射電源的等強度線，射電天文學(xué)才真正發(fā)展起來。射電天文學(xué)——radio astronomy, 原本可以譯為無線電天文學(xué)，由于是天體輻射來的電波，因而譯為射電天文學(xué)。在中國臺灣，譯為電波天文學(xué)，顯然是受日文的影響，日本是將radio譯為電波。

圖1 央斯基和他的無線電望遠鏡

射電天文學(xué)的興起，使天體物理學(xué)產(chǎn)生了革命性的變化。在此之前，天文學(xué)家在那里辛辛苦苦地去制造大型的光學(xué)望遠鏡。早期的光學(xué)望遠鏡以折射型的為主，后來改進為以反射型為主。第二次世界大戰(zhàn)之前，美國就致力于制造口徑為200吋(這里指英寸，1英寸≈0.0254 m)的大型望遠鏡，直到1948年，該望遠鏡才全部完成，歷時達15年之久。這便是位于帕洛瑪山天文臺的世界上著名的海耳5 m望遠鏡。該望遠鏡稱霸世界達20多年，直到1976年，前蘇聯(lián)在北高加索特殊天體物理臺建成6 m的望遠鏡。這臺光學(xué)望遠鏡在當時已經(jīng)非常先進，但是，令人遺憾的是，它并沒有驚天動地的發(fā)現(xiàn)。天文學(xué)家們的注意力只拘泥于天體發(fā)來的星光了。

射電望遠鏡問世以后，立刻打開了人們的思路，造就了20世紀60年代天體物理學(xué)的所謂“四大發(fā)現(xiàn)”——星際分子、類星體、宇宙微波背景輻射和脈沖星。沒有射電天文學(xué)指路，即使已經(jīng)看到了類星體，也不敢去確認。然而，當類星體發(fā)現(xiàn)之后，天文學(xué)家們又驚奇地發(fā)現(xiàn)，射電輻射并不是類星體專有的物理特性。事實上，大部分的類星體在射電波段的輻射都很弱。當我們把類星體分為射電噪(radio loud)和射電寧靜(radio quiet)兩類時，屬于射電噪的類星體只占類星體總數(shù)的10%左右。這樣一來，要想發(fā)現(xiàn)更多的類星體，僅通過射電方法證認射電源顯然是不夠的，還必須回過頭來使用傳統(tǒng)的光學(xué)方法。因此，發(fā)現(xiàn)類星體靠的是射電技術(shù)，尋找類星體還必須依靠光學(xué)方法。

2 從顏色差異上去找

類星體，顧名思義，是一種類似恒星的天體。它的樣子在照片上與一般的恒星沒有區(qū)別，也是一個一個的小點源。圖2是筆者在室女座天區(qū)發(fā)現(xiàn)的一批類星體。不難看出，從肉眼上是無法與周圍的恒星區(qū)分開來的。

那么，天文學(xué)家們是如何從茫茫的星海中去尋找類星體的呢？原來，類星體的最大特征表現(xiàn)在它的光譜上。一顆恒星的光譜主要由兩部分組成：連續(xù)譜和光譜線。連續(xù)譜是指光譜強度按波長的分布；光譜線則是分布在連續(xù)譜上的一些孤立的譜線，可以是發(fā)射型的譜線，也可以是吸收型的譜線。圖3是一個典型的類星體光譜，它是由14顆類星體的連續(xù)光譜取平均得到的類星體標準譜。連續(xù)譜上標出的是一條一條的類星體的發(fā)射線。類星體連續(xù)譜有一個顯著的特征，就是隨波長變化非常平滑。尤其是在短波一端，輻射強度Fλ仍然很強，換句話說，在藍端的輻射很強。我們把這種類型的天體叫做藍天體，或者叫做紫外超天體。用光學(xué)方法尋找類星體，首先就是利用了它的連續(xù)譜的這一特性，也就是它和普通恒星在顏色上的差別。

圖2 室女座天區(qū)的一批類星體(用數(shù)字標注者)

圖3 類星體標準光譜(紅移值從Z＝0.26到Z＝2.86)

天文學(xué)上，連續(xù)光譜的強度分布特征常用顏色來表示，最常用的是3種顏色：紫外線(U)、藍色(B)和可見光(V)，對應(yīng)的中心波長分別為：3650A°、4400A°和5500A°。每一種顏色都可以用星等來表示，即U星等、B星等和V星等。兩種顏色的星等差，叫做色指數(shù)。有了這些基本概念之后，我們就可以用色指數(shù)來尋找類星體。經(jīng)過不斷探測，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，只要搜尋色指數(shù)UB小于0.4的天體，就可以把大部分類星體包括進來。我們把這種篩選類星體的方法叫做多色方法或色指數(shù)方法。

用多色方法尋找類星體的典型例子就是類星體的發(fā)現(xiàn)者施密特和他的學(xué)生Green。他們用了近十年的時間，對全部北天區(qū)(10 714平方度)進行了巡天，共發(fā)現(xiàn)了92顆類星體。不過，他們發(fā)現(xiàn)的全部是B星等小于16.16等的亮類星體，被視為亮類星體的最完備樣品之一。

3 無縫光譜方法

在類星體的標準光譜上有很多的發(fā)射線，這些發(fā)射線也是用來發(fā)現(xiàn)類星體的一個重要手段，我們把這種方法叫做無縫光譜方法。

使用物端棱鏡或物端光柵得到天體的無縫光譜已有很長的歷史，但直到20世紀70年代才被用于發(fā)現(xiàn)類星體。最初的工作是由位于智利的托洛洛山泛美天文臺開創(chuàng)的，主要由史密斯和奧斯梅爾兩位天文學(xué)家進行，他們用一架60 cm的施密特望遠鏡加上物端棱鏡去尋找類星體和發(fā)射星系。后來，史密斯從那里回到英國皇家愛丁堡天文臺工作。他剛到?jīng)]多久，筆者也來到了這里，從此就開始了與他的合作研究。

我們用的物端棱鏡底片是來自澳大利亞的英澳天文臺。用物端棱鏡光譜，也就是無縫光譜，怎樣尋找類星體呢？我們看一下圖4，類星體的光譜中有許多非常強的發(fā)射線，其中，最強的氫賴曼α線(Lyα)、電離碳的2條線(CⅡ，CⅢ)和電離鎂(MgII)的1條線波長分別為：

在一般的恒星光譜中，這些線處于紫外波段，對于類星體，由于紅移，觀測到的波長需乘以紅移因子，即λ＝λ0(1+Z)。這樣，這些譜線會出現(xiàn)在可見光區(qū)，剛好被觀測到。在無縫光譜底片上，搜尋那些有發(fā)射線特征光譜的天體，作為類星體的候選體。將候選體找出來之后，還必須再用大望遠鏡仔細觀測它的光譜，測出其紅移值，一顆類星體便宣告“誕生”了。

圖4 拍自UK Schmidt望遠鏡的物端棱鏡光譜，中間一顆便是類星體的候選體(光譜中的黑點是發(fā)射線，周圍的粗黑光譜來自恒星)

熟能生巧，在作者尋找類星體的過程中，對無縫光譜方法做了較深入的探討。類星體的強發(fā)射線都集中在短波段，例如賴曼α線的波長只有1216 A°

，要想出現(xiàn)在3400 A°以遠的可見光區(qū)，其紅移值Z要大于1.80，這便是無縫光譜方法的選擇效應(yīng)，它只對高紅移的類星體敏感。筆者發(fā)現(xiàn)，除了利用發(fā)射線區(qū)辨認類星體之外，類星體的連續(xù)譜也可以用來與恒星區(qū)分。這樣找出的類星體就不再受發(fā)射線的限制，低紅移的類星體也可以發(fā)現(xiàn)，因而減少了無縫光譜的選擇效應(yīng)。此外，如何更精確地篩選出所有的類星體，還必須和各種光譜型的恒星進行比對。

實際觀測表明，用改進后的無縫光譜方法尋找類星體，成功率非常高。筆者曾與美國著名天文學(xué)家阿爾普教授合作，他是當代類星體研究的權(quán)威之一。他在其專著《類星體、紅移及其爭論》一書中寫到“中國天文學(xué)家何香濤反復(fù)搜尋了這些底片，最后在中心區(qū)8.1平方度內(nèi)找到了43顆類星體候選體，我用分光方法觀測了其中33顆，結(jié)果94%是類星體，這是我所知道的尋找類星體的最高成功率”。

4 海耳天文臺

時間倒推到1982年，在愛丁堡天文臺工作了一年多后，經(jīng)過不懈的努力，筆者終于申請到了美國帕洛瑪山天文臺的5 m望遠鏡觀測機會。那年春天，筆者同愛丁堡天文臺副臺長坎農(nóng)博士一道來到美國，開始了尋找類星體的征程。

帕洛瑪山位于加利福尼亞州的南部，距離洛杉磯市200多公里。加州是美國最富饒的州之一，氣候溫暖，物產(chǎn)豐富。汽車行駛在高速公路上，雖然是2月中旬天氣，但田野里仍是一片碧綠。一個多小時后，汽車進入山區(qū)，森林繁茂，牛羊成群，尤其是大片大片的橘林，滿掛著金黃色的柑橘。景象雖然美麗，但并沒有引起我們多大的興趣，因為倒霉的天氣總也不放晴，這是眼下我們最擔心的事情了。

汽車開始爬帕洛瑪山，云霧變得越來越濃。忽然間天氣放晴，陽光燦爛，我們都禁不住歡呼起來。原來汽車跨過了云層，再望下去，白茫茫一片云海。

帕洛瑪天文臺后來被命名為海耳天文臺，這是為了紀念美國著名的天體物理學(xué)家海耳。海耳的半身塑像被置放在5 m望遠鏡的入口處。實際上，海耳逝世于1938年，并沒有趕上使用這臺望遠鏡。海耳是一位太陽物理學(xué)家，他曾發(fā)明一種專門用于觀測太陽活動的海耳分光鏡。由于海耳的名氣很大，他又是建造5 m望遠鏡的倡議人，因此以他的名字命名。5 m望遠鏡始建于第二次世界大戰(zhàn)之前，大戰(zhàn)結(jié)束，主體工程基本完成。正式投入觀測工作是1948年，前后花費了15年時間。光5 m鏡面本身的“退火”時間就用了一年多。在美國一直在使用英制，直到今天仍然如此。確切說，該望遠鏡的直徑是200吋，應(yīng)該是5.08 m，不過在國際上也習(xí)慣叫做5 m鏡。5 m望遠鏡建成之后，美國的《時代周刊》專門將它刊登在封面上(圖5)，據(jù)說將科學(xué)內(nèi)容登在《時代周刊》的封面，這是首次。不僅如此，還為之出了專門的紀念郵票(圖6)。這兩件珍貴的資料是北京天文臺李競研究員專門提供給筆者的珍藏品。

海耳天文臺除了5 m鏡以外還有一臺1.2 m施密特望遠鏡，著名的帕洛瑪天圖就是由這臺望遠鏡拍攝的。天文臺占地面積很大，但建筑物很少。辦公和觀測人員居住的一棟小樓不過20來間房，一個展覽室是供游人參觀的。這里常年為游人免費開放，在5 m鏡圓頂里開辟了一間玻璃房和工作室隔開，游人可以在那里自由參觀，看到天文學(xué)家們的實際工作。

圖5 1948年2月9日出版的美國《時代周刊》封面(封面人物是哈勃，背景是5 m望遠鏡圓頂)

圖6 5 m望遠鏡的紀念郵票

5 豐碩的成果

5 m鏡的主要光路是卡塞格林式的。終端可以直接拍照，也可以接攝譜儀。此外，配有一臺折軸式攝譜儀，它占用了兩層樓高的一個巨大的房間(圖7)，可同時拍幾個波段的光譜。幾層樓高的一臺光譜儀實在是壯觀！

圖7 室內(nèi)拍攝的5 m望遠鏡局部圖

目前拍光譜的一套主要儀器是2013年才投入使用的雙通道光譜儀。星光從望遠鏡下來后一分為二：一部分進入藍照相機，波長從3000～5000；一部分進入紅照相機，波長從5000 ～10 000。這套設(shè)備不僅工作波段很寬，而且靈敏度也很高，觀測一顆19等的類星體，只要露光1000 s就夠了。獲得這樣的靈敏度全仰仗于CCD(電荷耦合器件，用以記錄來自天體的輻射，效率高、噪音低)。CCD需要在-200 ℃左右下工作，冷卻用的是液氮。向儀器里灌液氮很好玩，就像灌開水一樣，掉在地上卻和水銀一樣到處亂滾。這臺雙通道光譜儀是由歐克教授設(shè)計的。歐克教授是一位資深的天文學(xué)家，曾建立標準測光系統(tǒng)，在星系團和類星體諸多方面的研究成果蜚聲世界。20世紀80年代歐克曾來華講學(xué)，對中國天文臺的建設(shè)提了許多寶貴的建議。

一切準備工作都做好了，唯一不放心的是天氣。果然，晚飯后天氣變壞，開始出現(xiàn)了散云，四周變得霧氣騰騰。這是最壞的預(yù)兆。如果有高云還可以觀測，低云和霧氣有害望遠鏡，是絕對不能觀測的。寶貴的時間一小時一小時地過去了，一直等到早晨3點多鐘，仍然云霧迷漫，我想沒有希望了，但歐克教授仍堅持耐心等待。又過了兩個小時，我們才只好放棄，第一個晚上就這樣白白地等掉了。

望遠鏡的使用時間表是早已排定的，趕上陰天只有認倒霉。第二個晚上總算老天幫忙，天空一片碧藍，下午7點半準時打開圓頂，投入了觀測。

觀測過程的自動化程度很高。要觀測的局部天區(qū)顯示在電視屏幕上，只要把觀測對象放在監(jiān)視屏幕的十字線中心，電子計算機便開始自動導(dǎo)星。兩位助手幫助操縱望遠鏡和給計算機輸入數(shù)據(jù)，觀測人員只需把天體的坐標和露光時間等數(shù)據(jù)告訴他們，在電視屏幕上證實所要觀測的對象，整個觀測數(shù)據(jù)便往計算機的磁盤里輸送了。

此次觀測的是室女座星系團區(qū)內(nèi)的類星體，這些類星體候選體便是筆者在愛丁堡天文臺經(jīng)過幾個月的辛勤工作，用無縫光譜方法一個一個地篩選出來的(圖8)。

圖8 5 m望遠鏡拍出的類星體光譜(這是紅照相機(5000～10 000的原始記錄，圖中標出的是儀器測量讀數(shù)和估算出的譜線波長，所有這些譜線還必須與標準譜線波長表加以比對才能確認下來)

第一顆類星體成功了，作為類星體標志的一些特征發(fā)射線清楚地顯示在另一個電視屏幕上。第二顆類星體又成功了，大家都十分興奮?？厕r(nóng)博士隨即給類星體取名為HOCS(He、Oke、Cannon和Smith四人名字的縮寫)，并風趣地說，“這大概是一種鳥吧！”第三天晚上天氣不十分理想，兩個晚上共確認了13顆類星體。

在所發(fā)現(xiàn)的類星體中有1顆光譜結(jié)構(gòu)很特殊，有2顆分別靠近兩個星系。特別是Q1222＋131(HOCS12)被星系NGC4374的暈所遮擋，如果能在類星體的光譜里找到屬于星系的吸收線，那就可以斷定類星體是位于星系的后面，這對于解決類星體的距離問題是很有意義的。實際上，這正是我們這一選題的著眼點之一。

30多年前，做為一名中國天文工作者，能夠在5 m望遠鏡上進行觀測，的確是令人激動的。這次觀測的成功，極大地提升了筆者的研究境界。此后，筆者又多次來這里觀測，并踏上了與美國天文學(xué)家的合作之路。

6 結(jié)語

科學(xué)發(fā)展之迅速從類星體研究中得到了充分的證明。類星體發(fā)現(xiàn)于1963年，那時，只要找到哪怕一顆類星體，也可以寫一篇文章發(fā)表。后來，天文學(xué)家們在尋找類星體的過程中，逐步發(fā)展了各種方法。目前，選擇類星體候選體的方法主要有以下幾種：①射電方法；②多色方法；③無縫光譜方法；④弱變光天體方法；⑤X射線方法；⑥紅外輻射方法；⑦零自行方法。所有這些方法都是先找出類星體的候選體，再進行單星分光觀測予以確認。射電方法是最經(jīng)典的發(fā)現(xiàn)類星體的方法。首先尋找射電源，根據(jù)射電源的物理特性找出其光學(xué)對應(yīng)體，選出類星體的候選體。多色方法和無縫光譜方法我們已經(jīng)做了詳細的介紹。弱變光天體方法是基于類星體有不規(guī)則的光變?nèi)ふ?。X射線方法和紅外輻射方法是基于有些類星體在這些波段上有不尋常的輻射，根據(jù)其輻射特征找出相應(yīng)的光學(xué)對應(yīng)體進行證認。零自行方法最有意思，由于類星體都是銀河系之外的非常遙遠的天體，不參與銀河系的任何運動，因此，從地球上看去，它們應(yīng)該沒有任何的相對運動，也就是孤零零的懸掛在那里。所有的恒星都是銀河系里的天體，自然會繞銀河系旋轉(zhuǎn)，因此會有自行運動。這樣一來，我們找出那些樣子像恒星，但沒有自行運動的天體，豈不就是類星體了嗎？

類星體發(fā)現(xiàn)多了，自然要編成類星體表。第一個類星體總表是1977年由赫維特(Hewitt)和貝比奇(Burbidge)合編的，共包括637顆類星體。貝比奇就是前面提到過的大名鼎鼎的天文學(xué)家，曾做過美國國立基特峰(Kitt Peak)天文臺的臺長。赫維特其實不是天文學(xué)家，只是他的秘書。后來，他們又編了幾次類星體表就停止了。接下來編類星體表的是法國天文學(xué)家維隆(Veron)夫婦，他們于2000年編輯的《類星體和活動星系核表》(第9版)，在2011年出版的第13版中，類星體總數(shù)達到13 214顆，可見發(fā)現(xiàn)類星體的速度之快。事實上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的類星體遠遠超過這個數(shù)。其中有兩家發(fā)現(xiàn)大戶：一是英澳天文臺，他們利用物端棱鏡巡天數(shù)據(jù)，加上2平方度視場(2DF)的光纖光譜儀，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2萬多顆類星體；另一家是美國的斯隆數(shù)字巡天(Sloan Digital Sky Survey，簡稱SDSS)，他們每年發(fā)布一批類星體，截至2013年7月的第10批(The Tenth SDSS Data Released)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了312 303顆類星體。加上目前在天文學(xué)家手中，尚未發(fā)表的類星體，總數(shù)肯定在40萬顆以上！

(2014年9月15日收稿)■

The most mysterious object in our universe—Quasar (Ⅱ): Search for Quasars

HE Xiangtao
Department of Astronomy, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

Using the radio technics during the second world war, the radio astronomy was rapidly developed after the war. The first quasar was discovered in 1963 according to the identification of 3C catalog. Quasars emit radio in various wavelengths. We can use different methods to find them out. Using the slitless technic I found the first Chinese quasar. Also I was the first Chinese to use the Hale 5 m telescope.

Quasars, Hale 5 m telescope, slitless technic

(編輯：溫文)

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.03.007

?通信作者，E-mail：xthe@bnu.edu.cn