類(lèi)星體是類(lèi)似恒星天體的簡(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)為似星體、魁霎或類(lèi)星射電源，與脈沖星、微波背景輻射和星際有機(jī)分子一道并稱(chēng)為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。長(zhǎng)期以來(lái)，它總是讓天文學(xué)家感到困惑不解。

 發(fā)現(xiàn)及命名

20世紀(jì)六十年代，天文學(xué)家在茫茫星海中發(fā)現(xiàn)了一種奇特的天體，從照片看來(lái)如恒星但肯定不是恒星，光譜似行星狀星云但又不是星云，發(fā)出的射電(即無(wú)線電波)如星系又不是星系，因此稱(chēng)它為“類(lèi)星體[1]”。類(lèi)星體的發(fā)現(xiàn)，與宇宙微波背景輻射、脈沖星、星際分子并列為20世紀(jì)60年代天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)。

1960年天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了射電源3C 48的光學(xué)對(duì)應(yīng)體是一個(gè)視星等為16等的恒星狀天體，周?chē)泻馨档男窃茽钗镔|(zhì)。令人不解的是光譜中有幾條完全陌生的譜線。1962年，又發(fā)現(xiàn)了在射電源3C 273的位置上有一顆13等的“恒星”。使天文學(xué)家同樣困惑的是其光譜中的譜線也不尋常。

1963年，終于有人認(rèn)出了3C 273譜線的真面目，原來(lái)它們是氫原子的譜線，只不過(guò)經(jīng)歷了很大的紅移，使得譜線不易證認(rèn)。循著紅移這條線索，再去分析3C 48的光譜，得出它的紅移量還要更大。設(shè)想紅移產(chǎn)生于多普勒效應(yīng)，那么3C 273和3C 48都有很大的退行速度，分別達(dá)光速的1/6和1/3。對(duì)于這種在光學(xué)照片上的形態(tài)像恒星，但是其本質(zhì)又迥然不同的天體，天文學(xué)家把它們命名為類(lèi)星射電源。進(jìn)一步的觀測(cè)和研究揭示了又一類(lèi)天體，它們的形態(tài)也很像恒星，而且也有很大的紅移，但是沒(méi)有射電輻射，被稱(chēng)為射電寧?kù)o類(lèi)星體[2]。

類(lèi)星體的特點(diǎn)

類(lèi)星體的顯著特點(diǎn)是具有很大的紅移，表示它正以飛快的速度在向我們遠(yuǎn)離。類(lèi)星體離我們很遠(yuǎn)，大約在幾十億光年以外，可能是目前所發(fā)現(xiàn)最遙遠(yuǎn)的天體，天文學(xué)家能看到類(lèi)星體，是因?yàn)樗鼈円怨?、無(wú)線電波或x射線的形式發(fā)射出巨大的能量。

類(lèi)星體的總結(jié)

類(lèi)星體是宇宙中最明亮的天體，它比正常星系亮1000倍。對(duì)能量如此大的物體，類(lèi)星體卻不可思議地小。與直徑大約為10萬(wàn)光年的星系相比，類(lèi)星體的直徑大約為1 光天(light-day)。一般天文學(xué)家相信有可能是物質(zhì)被牽引到星系中心的超大質(zhì)量黑洞中，因而釋放大量能量(噴發(fā)激烈射線)所致。這些遙遠(yuǎn)的類(lèi)星體被認(rèn)為是在早期星系尚未演化至較穩(wěn)定的階段時(shí)，當(dāng)物質(zhì)被導(dǎo)入主星系中心的黑洞增添“燃料”而被“點(diǎn)亮”。

由于類(lèi)星體是一個(gè)難解的天體，它奇特的現(xiàn)象如紅移之謎，超光速的移動(dòng)，它的能量來(lái)自哪里?它在挑戰(zhàn)人類(lèi)的既有物理觀念，它的解決，可能使我們對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)向前跨一大步。

緣起

從1960年起，人們對(duì)劍橋第三電波星表中(3C)一些不知意義、模糊的無(wú)線電波源，陸陸續(xù)續(xù)有下列的發(fā)現(xiàn)：

它們的光學(xué)體很小(光學(xué)直徑<1")，和恒星很難區(qū)別：

從帕羅馬天文臺(tái)5m望遠(yuǎn)鏡所拍照片中顯示,它和恒星一樣，都只是一個(gè)光點(diǎn)。

它們有極亮(非比尋常的亮)的表面：

在可見(jiàn)光及無(wú)線電波波段都此特性。

它們的光譜是連續(xù)光譜及強(qiáng)烈的發(fā)射譜線：

在1962/63年，由 M.Schmidt 測(cè)出這和那些已知的電波星系光譜相同。

事實(shí)上，測(cè)得的類(lèi)星體的光譜主要有三部分：

由同步輻射造成的非熱性連續(xù)光譜;

吸積作用造成極明亮的發(fā)射譜線;

星際介質(zhì)造成的吸收譜線。

它們的光譜呈現(xiàn)巨大的紅位移量(位移指數(shù)Z=△λ/λ)。

因此由哈勃定律推論，它們是極遠(yuǎn)的藍(lán)色星系，可見(jiàn)光絕對(duì)亮度超過(guò)一般正常星系的100倍，而電波強(qiáng)度和CygA星系相當(dāng)。

到此階段的探查，我們將之冠上類(lèi)星體Quasar之名(或謂類(lèi)星電波源 Quasistellar Radio Source)。

定名

1965年 A.Sandage 發(fā)現(xiàn)許多類(lèi)星體，它們的光學(xué)性質(zhì)和類(lèi)星電波源相同;都有緊密的結(jié)構(gòu)，極亮的表面及藍(lán)的顏色;但它們卻沒(méi)有輻射無(wú)線電波(或是太弱了，而沒(méi)被測(cè)到)，因此我們可將它們分為兩類(lèi)：

類(lèi)星電波源QSR's：能用光學(xué)及電波段測(cè)出，這類(lèi)比較少，占目前類(lèi)星體總數(shù)的1/20。

類(lèi)星體QSO's(或稱(chēng)電波寧?kù)o類(lèi)星體)：電波較弱，只能以光學(xué)測(cè)出。

今日，我們相信它們代表的是同一種天體，只不過(guò)有的電波輻射強(qiáng)度不同;科學(xué)家相信，具有強(qiáng)烈電波輻射的類(lèi)星體可能是類(lèi)星體「一生」中處于短暫的「發(fā)高燒」階段的產(chǎn)物。因此，稱(chēng)之為類(lèi)星電波源(quasars)或類(lèi)星體(quasistellar objects)都可以;有必要時(shí)，再注意它有沒(méi)有輻射電波即可。

目前，在可見(jiàn)光及電波波段的天空搜尋中，數(shù)千個(gè)類(lèi)星體已被發(fā)現(xiàn);例如 M.P. Veron-Cetty 及 P.Veron(1989)作的星表目錄中有4,170個(gè)類(lèi)星體，A.Hewit t和 G.Burbidge(1987)所出星表中3,570個(gè)附有紅移資料的類(lèi)星體。

歷史紀(jì)錄

最近的類(lèi)星體-3C273(M.Schmidt所發(fā)現(xiàn))：

視星等mv=12.8(其余的比16等還暗)，紅移z=0.158(相當(dāng)距離950Mpc.約等于31億光年遠(yuǎn))。

最亮的類(lèi)星體-S50014+81：

絕對(duì)星等Mv=-33等(mv=16.5);z值為3.14。

最大紅移指數(shù)(相當(dāng)于最遠(yuǎn))的類(lèi)星體-PKS2000-300：

mv=19，z=3.78(記錄已被取代，并不斷刷新中!)。

不過(guò)在1986年后，發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多更大紅移的類(lèi)星體，其中約有30個(gè)z值超過(guò)4的;最近的報(bào)告(1990年)指出，PC1247+3406的z值為4.90。值得一提的是，類(lèi)星體的數(shù)目似乎以Z=2左右為分界;紅移小于2的隨著z值增大，數(shù)目也越多，而紅移大于2的，分布趨勢(shì)則相反，z值越大的類(lèi)星體數(shù)目越小。

最早發(fā)現(xiàn)類(lèi)星體巨大紅移現(xiàn)象的，是 M.Schmidt 在分析3c 273光譜時(shí)頓悟的;他感覺(jué)那些強(qiáng)烈的發(fā)射譜線相對(duì)排列順序與氫原子光譜的幾條譜線很相似;不同的只是整個(gè)光譜都向紅端(長(zhǎng)波)移動(dòng)了一大截。

類(lèi)星體的紅移量是如此的巨大，我們不能只是以簡(jiǎn)單的哈勃定律(距離d與z值成正比)來(lái)決定它的距離;而必須以廣義相對(duì)論為基礎(chǔ)的宇宙模式來(lái)解釋它。

與星系的關(guān)系

類(lèi)星體的絕對(duì)星等Mv在-25-- -33等之間(由哈勃常數(shù)Ho=50km/s·Mpc推算)，這可推論出其光度在1012--1014L⊙之間(約4*1038--1041W)，這代表類(lèi)星體是宇宙最亮的天體;它們是遙遠(yuǎn)活躍星系的極亮核及塞佛特星系、N星系及電波星系強(qiáng)烈活動(dòng)的延續(xù)。這些的星系的輪廓只有在最近的類(lèi)星體3C273的光學(xué)影像中被辨認(rèn)出，呈現(xiàn)模糊、擴(kuò)張、云霧狀的斑點(diǎn);通常星系被比它亮很多的核的光芒所掩過(guò)，而呈現(xiàn)類(lèi)星體的現(xiàn)象。只有到最近，以極靈敏的CCD偵測(cè)器及現(xiàn)代影像擴(kuò)大技術(shù)，這才比較有可能測(cè)出那些z≦0.5的類(lèi)星體及和它有關(guān)的星系(因z值越小之類(lèi)星體距離越近，與其有關(guān)之母星系才不至于太暗)。減去類(lèi)星體光度後的星系絕對(duì)星等在-21-- -23等之間，是直徑40--150kpc的橢圓星系或漩渦星系。觀測(cè)結(jié)果認(rèn)為有強(qiáng)電波輻射的類(lèi)星體可能屬于橢圓星系，而無(wú)電波類(lèi)星體則屬于漩渦星系。

此外，在某些類(lèi)星體中，其分立的子電波源間出現(xiàn)分離的相對(duì)速度居然快過(guò)光速的超光速運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象!例如3C273;由巨大天線陣(VLA)從1977年到1980年，以波長(zhǎng)2.8cm的無(wú)線電波波段觀測(cè)結(jié)果顯示，其分立兩子電波源間分離速度高達(dá)11倍光速。

雖然，光速是物體運(yùn)動(dòng)速度的極限也是能量傳遞速度的極限;但這種看似不可思議的超光速現(xiàn)象，在視覺(jué)上卻有可能造成超光速的現(xiàn)象。例如，在夜晚將探照燈射向高空，由于云層的反射，天空會(huì)出現(xiàn)亮點(diǎn);當(dāng)?shù)孛娴奶秸諢艟徛D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在高空的亮點(diǎn)卻以極快的速度在移動(dòng)。如果這云層夠高，亮點(diǎn)的速度甚至可以超過(guò)光速。以這模型來(lái)解釋上述類(lèi)星體中的現(xiàn)象，認(rèn)為是由類(lèi)星體中心母體噴出兩股相反方向的粒子流(相當(dāng)于探照燈的光)，它照在星際介質(zhì)上(相當(dāng)于高空的云)，從而激起電波輻射(相當(dāng)于亮點(diǎn));因此，只要中心母體有小小的擺動(dòng)，粒子流照射所激起的輻射區(qū)就會(huì)迅速的移動(dòng);如此看來(lái)，這兩輻射區(qū)相離速度超過(guò)光速就大有可能了。

主要觀測(cè)特點(diǎn)

①類(lèi)星體在照相底片上具有類(lèi)似恒星的像，這意味著它們的角直徑小于1″。極少數(shù)類(lèi)星體有微弱的星云狀包層，如3C48。還有些類(lèi)星體有噴流狀結(jié)構(gòu)。②類(lèi)星體光譜中有許多強(qiáng)而寬的發(fā)射線，包括容許譜線和禁線。最經(jīng)常出現(xiàn)的是氫、氧、碳、鎂等元素的譜線，氦線非常弱或者不出現(xiàn)，這只能用氦的低豐度來(lái)解釋?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，類(lèi)星體的發(fā)射線產(chǎn)生于一個(gè)氣體包層，產(chǎn)生的過(guò)程與一般的氣體星云類(lèi)似。類(lèi)星體的發(fā)射線很寬，說(shuō)明氣體包層中一定存在猛烈的湍流運(yùn)動(dòng)。有些類(lèi)星體的光譜中有很銳的吸收線，說(shuō)明產(chǎn)生吸收線的區(qū)域里湍流運(yùn)動(dòng)的速度很小。③類(lèi)星體發(fā)出很強(qiáng)的紫外輻射，因此，顏色顯得很藍(lán)。光學(xué)波段連續(xù)光譜的能量分布呈冪律譜形式，為輻射強(qiáng)度，v為頻率，α為譜指數(shù)，常大于零。光學(xué)輻射是偏振的，具有非熱輻射性質(zhì)(見(jiàn)熱輻射和非熱輻射)。另外，類(lèi)星體的紅外輻射也非常強(qiáng)。④類(lèi)星射電源發(fā)出強(qiáng)烈的非熱射電輻射。射電結(jié)構(gòu)多數(shù)呈雙源型，少數(shù)呈復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還有少數(shù)是致密的單源，角直徑小于0″.001，至今都未能分辨開(kāi)。致密源的位置通常都與光學(xué)源重合。射電輻射的頻譜指數(shù)α平均為0.75。一般，α>0.4的稱(chēng)陡譜;α<0.4的稱(chēng)平譜。陡譜射電源多數(shù)是雙源;平譜射電源多數(shù)是致密單源，它們的厘米波段輻射特別強(qiáng)。⑤類(lèi)星體一般都有光變，時(shí)標(biāo)為幾年。少數(shù)類(lèi)星體光變很劇烈，時(shí)標(biāo)為幾個(gè)月或幾天。從光變時(shí)標(biāo)可以估計(jì)出類(lèi)星體發(fā)出光學(xué)輻射的區(qū)域的大小(幾光日至幾光年)。類(lèi)星射電源的射電輻射也經(jīng)常變化。觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)雙源型類(lèi)星射電源的兩子源，以極高的速度向外分離。光學(xué)輻射和射電輻射的變化沒(méi)有周期性。⑥類(lèi)星體的發(fā)射線都有很大紅移。迄今為止，觀測(cè)到的最大紅移為3.53(OQ 172)。對(duì)于有吸收線的類(lèi)星體來(lái)說(shuō)，吸收線紅移z吸一般小于發(fā)射線紅移z發(fā)。有些類(lèi)星體有好幾組吸收線，分別對(duì)應(yīng)于不同的紅移，稱(chēng)為多重紅移。例如，類(lèi)星體PHL 957的發(fā)射線紅移為2.69，吸收線紅移有五組：2.67、2.55、2.54、2.31、2.23。⑦近年來(lái)的觀測(cè)表明，有些類(lèi)星體還發(fā)出X射線輻射。

巨大紅位移之謎

根據(jù)同步電子輻射原理推論出，類(lèi)星體中黑洞質(zhì)量--108M⊙，所有輻射能(光度)--1039W≒1013L⊙。根據(jù)相對(duì)論E=m·c2推算其壽命約108年。推算出如此巨大能量之結(jié)果，使得一些天文學(xué)家質(zhì)疑：決定距離的基礎(chǔ)是否為哈勃紅移關(guān)系?

一般認(rèn)為紅移所代表的可能性有三種：

哈勃紅移

越遠(yuǎn)的星系紅移效應(yīng)越大;類(lèi)星體是目前所發(fā)現(xiàn)的最遠(yuǎn)的星系，它可能代表宇宙的邊緣或最早的宇宙。

引力紅移

就是從遠(yuǎn)離強(qiáng)引力場(chǎng)的地方觀測(cè)，譜線會(huì)向長(zhǎng)波的方向移動(dòng);但需要的引力場(chǎng)極大(約一億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞)，且造成的譜型與類(lèi)星體的不符。

局部紅移

認(rèn)為可能是某些星系高速?lài)姵鑫镔|(zhì)所造成之局部現(xiàn)象(與上述視線之超光速原理相同);支持的證據(jù)是，很多星系及類(lèi)星體常成雙或成群出現(xiàn)，而它們之間的紅移值截然不同。反對(duì)的說(shuō)法是，也有不少成群協(xié)同的類(lèi)星體、星團(tuán)和它們的母星系有相同的紅移量。

其中以支持哈勃紅移理論的證據(jù)最為有力。

尋找紅移與星系相近的低紅移類(lèi)星體：

以z≦0.5為范圍，果然找到很多與橢圓或漩渦星系有關(guān)而紅移相近的類(lèi)星體;而高紅移星系實(shí)在太暗，難以測(cè)出，不適用此法。

雙胞胎類(lèi)星體的證據(jù)：

1979年 D.Walsh,R.F.Carswell 和 R.J.Weymann 吃驚的發(fā)現(xiàn)類(lèi)星體QSO0957+561A及B不但距離極近(5.7")，星等同樣是17等，z值同為1.41， 甚至完全相同的光譜。令人懷疑他們根本是同一天體，只是被重力透鏡影響光線偏折而呈二重像。后來(lái)果然在類(lèi)星體B旁發(fā)現(xiàn)一模糊的云霧，測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)它是造成此光學(xué)二重像效應(yīng)z=0.39 的中介星系(介于我們與此類(lèi)星體之間)。此發(fā)現(xiàn)意義極重大，不但印證了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論中重力透鏡的預(yù)測(cè)，而且證明紅移大(z=1.41)之類(lèi)星體在紅移小(z=0.39)星系之后，更支持了哈勃紅移的理論。

重力透鏡造成的光變：

當(dāng)中介星系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于重力的作用，使其后方類(lèi)星體的光度發(fā)生變化;理論上，我們可從觀測(cè)到的類(lèi)星體光變時(shí)間及影像空間角度，去推算類(lèi)星體距離，再去印證哈勃紅移所推算之距離是否正確?？上?，在類(lèi)星體與我們之間常有無(wú)數(shù)物質(zhì)，造成引力的多重影響，而不易以此法測(cè)出，有待將來(lái)進(jìn)一步的改良觀測(cè)技術(shù)。

吸收線的支持：

類(lèi)星體中吸收譜線所測(cè)得的Zabs與發(fā)射譜線的z值不同，一般是Zabs≦Z;如果發(fā)射線z值是代表類(lèi)星體的位置(距離)，則其吸收線之Zabs則是類(lèi)星體和我們之間許多的星際間物質(zhì)吸收所造成(如圖一中Lα森林區(qū)，就是Lα線被不同距離物質(zhì)吸收，所呈多重紅移之結(jié)果)。當(dāng)(Z-Zabs)/Z≧0.01，代表是類(lèi)星體和我們之間許多星系外部的洞區(qū)所造成。

此外，我們?cè)诟呒t移類(lèi)星體吸收線中找到低紅移星系(及類(lèi)星體)之吸收線系統(tǒng)，而在低紅移星系吸收線中找不到高紅移類(lèi)星體之吸收線，這可說(shuō)明高紅移星體的確是在低紅移星系(類(lèi)星體)的後面。

另外，一種很像類(lèi)星體的怪東西，在1929年被發(fā)現(xiàn)并定名為BL蝎虎座天體;它的特征就是幾乎沒(méi)有特征。光度變化不規(guī)則，只有連續(xù)光譜，測(cè)不到它的譜線(可能太弱了)。因此，它的距離也很難定出。它那屬于非熱性之連續(xù)光譜在可見(jiàn)光部份比類(lèi)星體陡。目前已發(fā)現(xiàn)100個(gè)左右。

到底類(lèi)星體是個(gè)什么樣的天體呢 ?它的外型像恒星，光譜像塞佛特星系，電波性質(zhì)像電波星系……?而目前的認(rèn)定是，它是宇宙在大霹靂后，最先形成的“星系”前身。但無(wú)疑的，它是一種非?；钴S的天體;如果宇宙紅移理論確實(shí)是對(duì)的，那類(lèi)星體對(duì)於我們宇宙將扮演極重大的角色;它代表的是最遠(yuǎn)，最古老的宇宙。因此能從側(cè)面映整個(gè)宇宙的演化。也由於它高度的亮及神秘的吸收線，更是我們研究宇宙中介物質(zhì)(介于我們和宇宙邊緣之間)的最佳利器。

類(lèi)星體的最新解釋

類(lèi)星體是一種光度極高、距離極遠(yuǎn)的奇異天體。越來(lái)越多的證據(jù)顯示，類(lèi)星體實(shí)際是一類(lèi)活動(dòng)星系核(AGN)。而普遍認(rèn)可的一種活動(dòng)星系核模型認(rèn)為，在星系的核心位置有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，在黑洞的強(qiáng)大引力作用下，附近的塵埃、氣體以及一部分恒星物質(zhì)圍繞在黑洞周?chē)?，形成了一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的巨大的吸積盤(pán)。在吸積盤(pán)內(nèi)側(cè)靠近黑洞視界的地方，物質(zhì)掉入黑洞里，伴隨著巨大的能量輻射，形成了物質(zhì)噴流。而強(qiáng)大的磁場(chǎng)又約束著這些物質(zhì)噴流，使它們只能夠沿著磁軸的方向，通常是與吸積盤(pán)平面相垂直的方向高速?lài)姵?。如果這些噴流剛好對(duì)著觀察者，就能觀測(cè)到類(lèi)星體。

宇宙間的-切物質(zhì)都在運(yùn)動(dòng)中。遙遠(yuǎn)的星系也在運(yùn)動(dòng)著，它們都在遠(yuǎn)離我們而去。例如，室女座星系團(tuán)正以大約每秒1210公里的速度離開(kāi)我們，后發(fā)座星系團(tuán)約以每秒6700公里的速度離開(kāi)我們，武仙座星系團(tuán)約以每秒l0300公里的速度飛奔而去，而北冕座星系團(tuán)離開(kāi)我們的速度更大，大約每秒21600公里。星系為什么要離開(kāi)我們?我們又是怎么知道它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)呢?

在生活中我們都有這樣的經(jīng)驗(yàn)：在火車(chē)站站臺(tái)上，一列火車(chē)呼嘯著向我們奔來(lái)，汽笛的聲調(diào)越來(lái)越高，當(dāng)火車(chē)離開(kāi)我們時(shí)，汽笛的聲調(diào)逐漸降低。這是什么道理呢?1842年，著名的奧地利物理學(xué)家多普勒首先闡述了造成這種現(xiàn)象的原因。他指出：聲源相對(duì)于觀測(cè)者在運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所聽(tīng)到的聲音會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)聲源離觀測(cè)者而去時(shí)，聲波的波長(zhǎng)增加，音調(diào)變得低沉，當(dāng)聲源接近觀測(cè)者時(shí)，聲波的波長(zhǎng)減小，音調(diào)就變高。音調(diào)的變化同聲源與觀測(cè)者間的相對(duì)速度和聲速的比值有關(guān)。這一比值越大，改變就越顯著，后人把它稱(chēng)為“多普勒效應(yīng)”。

多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波，而且也適用于光波。一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的光源發(fā)出的光到達(dá)我們眼睛時(shí)，其波長(zhǎng)和頻率也發(fā)生了變化，也就是說(shuō)它的顏色會(huì)有所改變。雖然天文學(xué)家可以利用這一原理測(cè)量天體的運(yùn)動(dòng)，但是在一般情況下，天體相對(duì)于觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)速度與光速相比是微不足道的，因此光源顏色的變化很難測(cè)定。

星系是巨大的恒星集團(tuán)，但由于它們離我們非常遙遠(yuǎn),每個(gè)星系往往只能在大望遠(yuǎn)鏡拍攝的底片上看到一個(gè)微弱的光點(diǎn)。第一個(gè)觀測(cè)和測(cè)定星系光譜的天文學(xué)家是美國(guó)洛韋爾天文臺(tái)的斯里弗。l912—1925年，他拍攝了40個(gè)星系的光譜照片，除了兩個(gè)星系外，其余都呈現(xiàn)波長(zhǎng)偏長(zhǎng)的多普勒頻移，即向光譜的紅端位移，所測(cè)得的離去速度高得驚人，最高達(dá)5700公里/秒。

對(duì)星系視向速度的研究繼續(xù)進(jìn)行著。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，星系的譜線位移和恒星的譜線位移很不一樣。首先，恒星的譜線位移有紅移也有紫移，這反映恒星有的在遠(yuǎn)離我們，有的在接近我們，而星系的譜線位移絕大多數(shù)是紅移，紫移的極少。其次，恒星的譜線位移不論是紅移還是紫移，一般在每秒數(shù)十公里左右，最大的不超過(guò)每秒二三百公里，而星系的譜線紅移每秒1000公里以下的只占少數(shù)，多數(shù)是每秒2000～3000公里，有的甚至達(dá)到每秒1萬(wàn)公里。

1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)，在宇宙空間不僅幾乎所有的星系都具有譜線紅移現(xiàn)象，而且還存在著星系的紅移量與該星系的距離成正比的關(guān)系，也就是說(shuō)，越遠(yuǎn)的星系正在以越快的速度飛馳而去，這被稱(chēng)為哈勃定律。

有了哈勃定律，天文學(xué)家通過(guò)觀測(cè)星系的譜線紅移量，求出星系的視向速度，進(jìn)而得出它們的距離。例如，一個(gè)以1700公里/秒的速度遠(yuǎn)離我們而去的星系，其距離約1億光年;一個(gè)以17000公里/秒的速度遠(yuǎn)離我們而去的星系，其距離約10億光年。目前已觀測(cè)到的最遠(yuǎn)星系，正以與光速相差無(wú)幾的速度遠(yuǎn)離我們而去，其距離達(dá)100多億光年。為什么星系都在離我們而去呢?

紅移的本質(zhì)是什么?為什么會(huì)存在哈勃定律?這些問(wèn)題已經(jīng)爭(zhēng)論了半個(gè)多世紀(jì)了，但一直未能得到圓滿的解釋?zhuān)蚨闪颂煳膶W(xué)里的老大難問(wèn)題。

在哈勃定律發(fā)表前兩年，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特就提出了宇宙膨脹的概念。1930年，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓把勒梅特的模型和哈勃定律聯(lián)系起來(lái)，稱(chēng)宇宙為膨脹的宇宙。1932年勒梅特進(jìn)一步提出現(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙是一個(gè)巨大的原始火球爆炸而形成的·到了40年代末，在發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)的巨大能源來(lái)自熱核反應(yīng)后，美國(guó)物理學(xué)家伽英夫把宇宙膨脹論和基本粒子的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，提出了熱大爆炸宇宙學(xué)。他認(rèn)為宇宙起源于高溫、高密度的，“原始火球”的一次大爆炸。在熱大爆炸模型提出后的一段時(shí)間內(nèi)，很少有人關(guān)心它。直到1965年，美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了3K微波背景輻射(也稱(chēng)宇宙背景輻射)后，才使大爆炸學(xué)說(shuō)一躍成為最有影響的學(xué)說(shuō).隨著其他研究者的后繼測(cè)量，宇宙背景輻射已成為大爆炸模型有效性的有力見(jiàn)證，成為考慮宇宙中大足度流動(dòng)的有用的“絕對(duì)框架”，還因其表現(xiàn)的各向同性，成為發(fā)表星系形成理論的重要約束。

天文學(xué)家認(rèn)為，所謂宇宙大爆炸，并不能想象為高密度高能量的宇宙物質(zhì)在爆炸后，高速?zèng)_向早已存在的空虛的空間之中，如果這樣，原爆炸中心將會(huì)留下一個(gè)逐漸增大的空洞。同時(shí)，爆炸時(shí)輻射比物質(zhì)走得快，結(jié)果爆炸時(shí)發(fā)出的所有輻射就會(huì)與物質(zhì)分離。實(shí)際上這兩種現(xiàn)象都不存在，因此宇宙大爆炸必須想象為空間本身自大爆炸開(kāi)始以光速膨脹。

大爆炸學(xué)說(shuō)比較自然地說(shuō)明了許多觀測(cè)現(xiàn)象，而且理論和觀測(cè)結(jié)果比較好地相符。但是也遇到了一些問(wèn)題，其中最突出的是“原始火球”是從哪里來(lái)的?有的天文學(xué)家認(rèn)為：起初宇宙是極其稀薄的氣體，由于萬(wàn)有引力的作用，逐漸收縮成一團(tuán)超密物質(zhì)。然后再爆炸，經(jīng)過(guò)膨脹階段，而重新歸于稀薄，稀薄得簡(jiǎn)直和絕對(duì)真空相差無(wú)兒。我們恰巧生活在宇宙比較飽滿的這個(gè)非常短暫的時(shí)期中。自然，以后還可以再收縮，再爆炸，再膨脹。1965年，美國(guó)天文學(xué)家桑得奇甚至估計(jì)這種“脈動(dòng)宇宙”每振蕩一次大約需要800多億年。這種理論是現(xiàn)實(shí)，還是“神話”，目前還不能輕易下結(jié)論。

另外一些天文學(xué)家，他們不認(rèn)為星系譜線紅移是由它們的退行速度引起的，因此也就不存在宇宙膨脹的問(wèn)題。然而，要在多普勒效應(yīng)之外，再找出紅移的另一種解釋?zhuān)瑢?shí)在太困難了，至少?gòu)哪壳翱磥?lái)是這樣。

有一種解釋認(rèn)為：，發(fā)出光譜的天體因本身的物理狀態(tài)不同而產(chǎn)生紅移。例如由于星系那里引力特別大，因此發(fā)出的光譜中紅移特別大，這叫做引力紅移。引力紅移是廣義相對(duì)論的預(yù)言之一。根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)一個(gè)觀察者從遠(yuǎn)離引力場(chǎng)的地方，觀測(cè)處在引力場(chǎng)中的輻射源發(fā)射出來(lái)的光的時(shí)候，譜線會(huì)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，移動(dòng)量與輻射源和觀測(cè)者兩處引力勢(shì)差的大小成正比。這種效應(yīng)最初是在白矮星中得到證實(shí)的。但根據(jù)引力理論計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，引力對(duì)紅移的影響很小，不足以說(shuō)明觀測(cè)到的星系紅移現(xiàn)象。

另一種解釋則認(rèn)為光線與傳播途中物質(zhì)相互作用產(chǎn)生紅移。光線由星系發(fā)出之后，要經(jīng)過(guò)若干萬(wàn)光年才能到達(dá)地球，光在長(zhǎng)途傳播中要穿透許多星系際介質(zhì)區(qū)域，光和介質(zhì)發(fā)生了某種相互作用，使光譜產(chǎn)生紅移。星系越遠(yuǎn)，途中遇到.的介質(zhì)就越多，因而紅移也就越大，但光與介質(zhì)相遇如何相互作用而產(chǎn)生紅移，還沒(méi)有令人滿意的解釋。

還有一種解釋是光線本身變化而產(chǎn)生紅移。光線在幾千萬(wàn)年的傳播之中，光子發(fā)生了老化，波長(zhǎng)變長(zhǎng)而出現(xiàn)了紅移，由此推斷越遠(yuǎn)的星系光線走得越久，所以看到的紅移也越大。這一假說(shuō)沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。

正當(dāng)星系紅移問(wèn)題鬧得不可開(kāi)交的時(shí)候，60年代又出現(xiàn)了類(lèi)星體的紅移現(xiàn)象，使問(wèn)題變得越發(fā)復(fù)雜了。根據(jù)對(duì)類(lèi)星體物理性質(zhì)的研究?？梢钥隙ǎ?lèi)星體是河外天體。屬于星系這一層次。既然如此.它們的紅移是不是也像正常星系那樣可以解釋為退行并滿足哈勃定律呢?要直接驗(yàn)證這一點(diǎn)是困難的，因?yàn)橹两襁€沒(méi)法求出類(lèi)星體的距離。對(duì)類(lèi)星體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在紅移—視星等圖上，它們的分布毫無(wú)規(guī)律，這到底是什么原因呢?

大多數(shù)天文學(xué)家堅(jiān)持認(rèn)為：類(lèi)星體的紅移是宇宙紅移，即紅移反映了退行，而且紅移和距離之間存在著哈勃關(guān)系。證據(jù)是類(lèi)星體的物理性質(zhì)與某些活動(dòng)星系很類(lèi)似，而活動(dòng)星系已被證明是滿足哈勃定律的。另外，已發(fā)現(xiàn)幾個(gè)類(lèi)星體分別很靠近某個(gè)基系團(tuán)或就在星系團(tuán)內(nèi)，而且類(lèi)星體與星系團(tuán)的紅移近似相等。還發(fā)現(xiàn)某些類(lèi)星體很靠近一些星系，而類(lèi)星體和星系的紅移也大致相同。他們認(rèn)為，類(lèi)星體在紅移—視星等圖上之所以彌散，是由于類(lèi)基體的絕對(duì)星等彌散太大，而不是因?yàn)楣刹怀闪ⅰ?/p>

少數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為類(lèi)星體紅移不是宇宙學(xué)的。對(duì)某些類(lèi)星體和亮星系進(jìn)行抽樣統(tǒng)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)有些互相成協(xié)(即聯(lián)在一起)的星系或成協(xié)的星系和類(lèi)星體彼此之間的紅移量完全不同或相差很大。另外發(fā)現(xiàn)有些類(lèi)星體的光譜中，其吸收線的紅移量與發(fā)射線的紅移量互不相同，而且不同的吸收線還有各不相同的紅移量，即多重紅移。而成協(xié)天體的不同紅移和同一天體的多重紅移，都是用多普勒效應(yīng)無(wú)法解釋的，必須尋找新的紅移機(jī)制。已提出的除了上面講到的引力紅移、光子老化、物理常數(shù)變化等紅移機(jī)制外，還有一種所謂的“橫向多普勒效應(yīng)”。類(lèi)星體的巨大紅移可能說(shuō)明它的橫向速度很大。

上述這些觀點(diǎn)，有的僅僅是假說(shuō)，有的雖有理論根據(jù)，但并不能很好地解釋類(lèi)星體的紅移.持非宇宙學(xué)紅移觀點(diǎn)的人認(rèn)為，類(lèi)量體的紅移是對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的挑戰(zhàn)。

對(duì)星系普遍存在的譜線紅移的觀測(cè)和研究.有力地推動(dòng)了以整個(gè)可觀測(cè)宇宙的結(jié)構(gòu)、起源和演化為課題的現(xiàn)代宇宙學(xué)的迅速發(fā)展。星系紅移的真相一旦被揭開(kāi)，人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)必將有一個(gè)更大的飛躍