到50年代後期，美國人也趕上來了。格林邦克的射電望遠鏡正在投入使用；在加州理工學院，馬修斯（Tom Mathews），馬爾特比（Per Eugen Maltby）和莫菲特（Alan Moffett）用歐文斯河谷的新射電干涉儀，與巴德、格林斯坦和其他人用帕洛瑪5米光學望遠鏡一起，發現和研究了大量的射電星系。
1960年，這些工作又帶來一個驚奇：加州理工學院的馬修斯收到帕爾默（Henry Palmer）的來信。根據約德雷爾邦克的觀測，一個叫3C48（劍橋的賴爾小組編製的第3版星表1中的第48個射電源）的射電源極小，不超過1弧秒的直徑（太陽張角的1/10 000）。這麼小的源是很新奇的事情。但是，帕爾默和約德雷爾邦克的同事們卻不能很好地確定源的位置。馬修斯在學院的新射電干涉儀上的工作非常出色，他將位置定到只有5弧秒大小的誤差區域，把結果給了帕薩迪納卡內基研究所的光學天文學家桑德奇（Allan Sandage）。桑德奇接著在5米光學望遠鏡的觀測中，拍攝了馬修斯誤差區域中心的照片，他驚訝地發現，那不是一個星系，而是一個單獨的藍色亮點，像一顆恆星。「第二天晚上，我檢查了它的光譜，那是我見過的最離奇的光譜，」他後來冋憶說。譜線的波長根本不像恆星或地球產生的熱氣體的；也不像天文學家和物理學家以前遇到過的任何東西。從這個奇怪的天體，桑德奇看不出一點兒意思。
接下來的兩年裡，又有6個相同的天體以相同的方式被發現了，它們都跟3C48一樣令人疑惑。加州和卡內基的所有光學天文學家都開始來為它們攝像，取光譜，力圖認識它們的本質。答案本應是很顯然的，但實際上不是，遇到阻礙了。這些奇異的天體那麼像恆星，於是天文學家一直試圖把它們解釋成我們以前沒有見過的銀河系中的某種恆星，但這些解釋太牽強，不會有人相信。
打破障礙的是32歲的荷蘭天文學家施米特（Maarten Schmidt），12那時他剛應聘來到加州理工學院。幾個月來，他都在想辦法去認識他得到的3C273的光譜，那也是一個奇異天體。1963年2月5日，他坐在學院辦公室裡仔細地為他正在寫的一篇文章畫光譜，答案突然降臨了。光譜中4條最亮的線是氫原子氣體產生的標準的「巴爾末線」——這是所有光譜線中最有名的，是大學生在量子力學課裡學的第一類譜線。不過，這4條線並沒有通常的波長，每一條都紅移了16%。所以，3C273一定含有大量氫氣，並且以16%的光速離開地球——比任何天文學家見過的任何恆星的速度大得多。
施米特衝出辦公室，跑去找格林斯坦，激動地向他講了自己的發現。格林斯坦回到辦公室，把他的3C48光譜拿出來，盯著看了一會兒，沒看到有任何紅移的巴爾末線；但由鎂、氧、氖發出的譜線在等著他，它們紅移了37%。看來，3C48至少部分含有鎂、氧和氖，以37%的光速離開地球。13
這麼高的速度從哪兒來的？如果照普遍的想法，這些奇異天體（以後它們被稱為類星體）是我們銀河系中的某種恆星，那麼它們一定是被巨大的力量從某處（也許從銀河系中的核）噴射出來的，這太難以置信了。進一步檢查類星體光譜會看到，這是極不可能的。格林斯坦和施米特認為（對的），惟一合理的解釋是，這些類星體在我們宇宙很遠的地方，由於宇宙膨脹的結果，它們在以極高的速度離開地球。
想想，宇宙膨脹就像正在吹氣的氣球的膨脹。假如有許多螞蟻站在氣球表面，那麼每一隻螞蟻都會看到其他所有的螞蟻在離它而去，這是氣球膨脹的結果。離它越遠的螞蟻，離開它的速度也越快。同樣，由於宇宙膨脹的結果，離地球越遠的天體，我們在地球上看它離開的速度也越快。換句話說，天體的速度正比於它的距離。這樣，施米特和格林斯坦能從3C273和3C48的速度推測它們的距離，分別是20億光年和45億光年。
這些距離太大了，幾乎是有史以來的最大距離。這意味著，3C273和3C48為了達到在5米望遠鏡上顯示的亮度，必然要輻射出大量的能量：比我們見過的最亮的星系的能量還高100倍。
3C273的確很亮，自1895年以來，它與它附近的其他天體一起，已被最普通大小的望遠鏡拍過2000多次了。在聽說施米特的發現後，德克薩斯大學的史密斯（Harlan Smith）仔細檢查了這些多數珍藏在哈佛檔案館裡的照片，發現3C273在過去70年裡亮度在波動。在短短1個月的時間內它發出的光發生過很大變化。14這意味著，大部分來自3C273的光必然是從一個比光在1個月內所經過的行程小，也就是從小於1「光月」的區域內發出的。（假如區域太大，當然就不會有任何以小於或等於光速運行的力量能使發出的氣體同時在1個月內變亮和變暗。）
左：格林斯坦和帕洛瑪5米光學望遠鏡的圖，約1955年。右：施米特和他用來測量5米望遠鏡光譜的儀器，約1963年。[加利福尼亞理工學院檔案館提供。]
這些意思是極難讓人相信的。3C273，這個奇異的類星體，比宇宙中最亮的星系還亮100倍。星系的光是從100 000光年大小的區域中發出的，而3C273的發光區域卻只有1光月大小，直徑至少比星系小100萬倍，體積小1018倍。它的光必然來自一個由一台巨大功率的發動機加熱的大質量氣狀天體。發動機很可能是一個巨大黑洞，不過還不能完全確信，15年過後才出現有力的證據。
如果說，解釋來自我們銀河系的無線電波難，解釋來自遙遠射電星系的無線電波更難，那麼，解釋來自那些超遠類星體的無線電波，就難上加難了。
困難原來是一個思想障礙。格林斯坦、惠普爾和三四十年代所有天文學家一樣，都認定宇宙電波跟恆星的光一樣，是從原子、分子和電子的不規則熱運動產生的，那時的天文學家不能想像還有別的自然途徑能產生所看到的電波，儘管他們的計算已經確鑿地證明原來的途徑是行不通的。
然而，其他途逕自20世紀初就已為物理學家所熟悉了：當高速運動的電子遇到磁場時，會因磁力作用而繞磁力線作螺旋運動（圖9.4），在螺旋中發出電磁輻射。40年代，物理學家開始將這種輻射稱為同步輻射，因為那時正在建造的所謂「同步」粒子加速器裡的螺旋電子就產生這種輻射。值得注意的是，儘管物理學家對同步加速器表現了極大的興趣，天文學家卻毫不在意，頭腦裡的石頭阻礙了他們的思想。
1950年，芝加哥的凱本海爾（Karl Otto Kiepenheuer）和莫斯科的金茲堡（就是為蘇聯氫彈發明LiD燃料，後來又發現黑洞無毛的第一絲線索的那個金茲堡2）打碎了那塊石頭。他們在阿爾文（Hans Alfven）和赫洛森（Nicolai Herlofson）的思想基礎上提出（對的），央斯基的來自我們銀河的無線電波是螺旋地繞著充滿在星際空間的磁力線近光速運動的電子產生的同步輻射（圖9.4）。15
圖9.4 宇宙的無線電波是在磁場中螺旋式近光速運動的電子產生的。磁場迫使電子螺旋而不是直線地運動，電子的螺旋運動產生無線電波。
幾年後，發現了射電星系巨大的電波發射葉和類星體，人們自然（也是正確的）認為，它們的無線電波也是繞磁力線的螺旋電子產生的。根據螺旋運動和觀測到的無線電波以及相關的物理學定律，聖地亞哥加利福尼亞大學的布爾比奇計算了射電葉的磁場和高速電子所應具有的能量。他的結果令人驚愕：在最極端情況下，電波發射葉必須具有的磁能和高速（動）能，相當於1000萬（107）個太陽質量以100%的效率完全轉化而來的純粹能量。16
類星體和射電星系的能量要求那麼大，1963年，天體物理學家們被迫去檢驗所有可以想像的能源。
化學能（汽油、油、煤或炸藥的燃燒），這種人類文明的基本能源形式，顯然是不夠的。質量轉化為能量的化學效率只有一億分之一（10-8）。為了向類星體發射電波的氣體提供能量，需要108×107=1015個太陽質量的化學燃料——整個銀河系所有燃料的100 000倍。這看來是完全不合理的。
核能，作為氫彈和太陽光熱的基礎，似乎是惟一能充當類星體能源的。核燃料的質能轉化效率約為1%，所以，一個類星體需要102×107=109（10億）個太陽質量的核燃料來為它的電波發射葉提供能源。不過，只有當核燃料完全燃燒，而且能量完全轉化為磁場和高速運動電子的能量時，10億個太陽質量才夠。完全的燃燒和完全的轉化似乎是很不可能的。即使靠精密設計的機器，人類對燃燒能量的利用也很少超過幾個百分點。而大自然沒有什麼周密的設計，很可能做得更差。於是，100億或者1000億個太陽質量的核燃料似乎更合理。這個量比一個巨大星系的質量小，但也不是特別小，而且大自然如何能夠實現燃燒的核能向磁場能和動能轉化，我們還不清楚。因此，核燃料是可能的，但可能性不是很大。
物質與反物質的湮滅3能實現100%的質能轉化，所以1 000萬個太陽質量的反物質與1 000萬個太陽質量的物質發生湮滅，就能滿足一個類星體的能量需要。然而，我們的宇宙中沒有任何反物質存在的證據，只不過有一點在粒子加速器上人工產生的，和一點在物質粒子碰撞中自然產生的。而且，即使在類星體中有那麼多物質和反物質湮滅，湮滅的能量將進入高能γ射線，而不會成為磁能和電子的動能。因此，物質-反物質湮滅似乎是很難令人滿意的類星體供能方式。
還有一種可能：引力。正常恆星形成中子星或黑洞的坍縮，想來可能將10%的恆星質量轉化為磁能和動能——雖然如何轉換還不清楚。如果它真能這麼做，那麼10×107=108（1億）顆正常恆星的坍縮就可能滿足1個類星體的能量，而像假想的比太陽重1億倍的超大質量恆星，一顆就夠了。[正確的想法是，這樣一顆超大質量恆星的坍縮形成的巨大黑洞，本身可能就是為類星體提供動力的發動機。不過，在1963年還沒人這麼想過。那時，黑洞還沒人理解；惠勒還沒起「黑洞」的名字（第6章），薩爾皮特和澤爾多維奇還沒認識到落向黑洞的氣體可以高效地加熱和輻射（第8章）；彭羅斯也還沒發現黑洞可以將29%的質量作為旋轉能貯存和釋放（第7章）。黑洞研究的黃金年代還沒有來臨。]
形成黑洞的恆星的坍縮可能為類星體提供能量，這個思想根本背離了傳統。這是歷史上第一次，天文學家和天體物理學家感到需要求助於廣義相對論的效應來解釋他們看到的天體。以前，相對論學家生活在一個世界，天文學家和天體物理學家生活在另一個世界，兩家幾乎沒有交流。他們的偏見就要結束了。
為培養相對論學家與天文學家和天體物理學家之間的對話，促進類星體研究的進步，1963年12月12～18日，300名科學家在德克薩斯的達拉斯舉行了第一屆德克薩斯相對論天體物理學會議。17在一次餐後講話中，康奈爾大學的戈爾德（Thomas Gold）描述了當時的情形，不過有點兒言不由衷：「[類星體的神秘]令我們想到，相對論學者和他們精緻的工作不僅是華麗的文化裝點，也可能對科學真有些用處！現在，人人都高興了：相對論學者們感到有人在感謝他們，成了他們幾乎還不知道其存在的領域的專家；天體物理學家們也因為融和了另一個學科——廣義相對論而擴展了自己的領地、自己的王國。這真是令人高興的，讓我們希望它是對的。如果到頭來我們又和相對論學者們分開了，那將多令人羞愧。」
會議報告幾乎從上午8:30持續到下午6:00，一個小時午餐；然後從下午6:00到凌晨2:00，進行非正式討論和辯論。其中有一個10分鐘的短報告，是年輕的新西蘭數學家克爾作的，與會者都不認識他。克爾只是講了他的一個愛因斯坦場方程的解——10年後會發現，這個解描述了旋轉黑洞的所有性質，包括旋轉能量的貯存和釋放（第7，11章）；我們在下面將看到，這個解最終會成為解釋類星體能量的基礎。然而，在1963年，對大多數科學家來說，克爾的解似乎只是數學珍玩，甚至沒人知道它描述了黑洞——儘管克爾猜想它也許能為旋轉恆星的坍縮帶來一點認識。
天文學家和天體物理學家來達拉斯是為了討論類星體，對克爾神秘的數學題目沒有一絲興趣。所以，當克爾上台講話時，好多人溜出演講廳到走廊上去談他們喜歡的類星體理論；其他的更不禮貌的人，仍坐在大廳裡小聲討論。留下的人許多都在打瞌睡，後半夜的科學討論影響了睡眠，但靠這會兒是補不回來的。只有幾個相對論學家在聚精會神地聽。
這種場面，令帕帕皮特羅（Achilles Papapetro）忍不住了，他是世界有名的大相對論專家。等克爾一講完，他就要求發言。他站起來，深有感觸地解釋了克爾功績的重要性。他，帕帕皮特羅本人曾花30年時間尋找這樣一個愛因斯坦方程的解，但同其他許多相對論學者一樣，失敗了。天文學家和天體物理學家禮貌地點點頭；接下來，另一位報告者又來大講類星體理論，他們又重新集中注意力，會議繼續進行。18
60年代為射電源研究找到了一個轉折點。以前，從事這項研究的人完全是實測天文學家——也就是光學天文學家和從事射電觀測實驗的物理學家，現在都團結到一個天文學群體中來了，叫射電天文學家。相反，理論天體物理學家沒做什麼事情，因為射電觀測還沒有細到能讓他們很好地進行理論化的地步。他們惟一的貢獻在於，認識了無線電波是由繞磁力線螺旋式高速運動的電子產生的，計算了它需要多大的磁能和動能。
60年代，隨著射電望遠鏡分辨率持續提高和光學望遠鏡開始揭示射電源的新特徵（例如，類星體小小的發光核），不斷增長的信息源成了天體物理學家頭腦的營養素。他們根據豐富的信息提出了許多解釋射電星系和類星體的具體模型，而這些模型也一個個地被不斷積累的觀測數據所否定了。說到底，這就是科學的一貫作風！
關鍵的一點是，射電天文學家發現，無線電波不僅從處在射電星系兩端的兩葉，而且還從中央星系本身的核發出來。1971年，劍橋席艾瑪的一個新來的學生裡斯由此想到一個為兩葉提供能源的新辦法。也許，星系所有的無線電波都來自星系核中的一台發動機，也許這台發動機在直接為中心的電波發射電子，為磁場提供能量，也許它還向兩葉輸送能量，激發那兒的電子和磁場；也許，這台在射電星系核心的發動機正是為類星體提供能量的那種（不管它可能是什麼）。19
裡斯原來懷疑，從星系核攜能量到兩葉的流由超低頻的電磁波組成，但理論計算很快說明，這樣的電磁流無論如何也不能穿過星系的星際氣體。
裡斯不太正確的想法引來了正確的思想，這倒是常有的事情。劍橋的朗蓋爾（Malcolm Longair）、賴爾和謝維爾（Peter Scheuer）採納了他的想法，做了一點簡單的修改：他們留下裡斯的流，但讓它成為熱的磁化氣流，而不是電磁波束。20里斯立即同意這類氣體噴流能實現那個過程，然後同他的學生布蘭福德（Roger Blandford）一起計算了噴流應有的性質。
幾年後，英國、荷蘭和美國的新射電干涉儀輝煌地證實，發射電波的兩葉是通過來自星系中央發動機的氣體噴流獲得能量的——其中最值得注意的是美國在新墨西哥州聖·奧古斯丁平原的VLA（甚大天線陣，圖9.5）。這組干涉儀看到了噴流，而且正好具有所預言的性質。它們從星系中心看到兩葉，甚至看到湧進來的氣體在兩葉慢慢停下來。
與四五十年代的射電干涉儀（圖9.2）一樣，VLA也採用「點蓋碗」技術，不過它的碗大得多，點也多得多（聯結著更多的射電望遠鏡）。它的分辨率達到了1弧秒，差不多與世界上最好的光學望遠鏡一樣好——這是40年前人們對央斯基和雷伯的原始儀器所期待的巨大進步。但進步並沒有就此停下。80年代初，由大陸或地球相對兩端的射電望遠鏡組成的甚長基線干涉儀（VLBIs）得到了比光學望遠鏡的分辨率高1000倍的射電星系核和類星體的圖片。（VLBI的各望遠鏡的結果記錄在磁帶上，並以一個原子鐘為它們標記時間，然後將來自所有望遠鏡的磁帶輸入計算機，在機上相互「干涉」而成圖。）
圖9.5 上：新墨西哥州聖·奧古斯丁平原上的VLA射電干涉儀。下：珀萊（R.A.Perley），德雷耶（J.W.Dreyer）和科萬（J.J.Cowan）用VLA拍攝的射電星系天鵝A的射電照片。湧入右射電葉的噴流很清楚；左葉的噴流暗一些。與1944年雷伯那幅沒能反映兩葉的對應照片（圖9.1（d））和1953年詹尼森、古普塔那幅只揭示了兩葉存在（圖9.3（d）的矩形）的射電圖以及1969年賴爾的圖（9.3（d））比較，可以看到這幅射電圖片在分辨率上大大提高了。[兩圖均由NRAO/AUI提供。]
80年代初的VLBI照片說明，噴流最深延伸到了星系核或類星體內幾光年——就是在這個區域內，某些類星體（如3C273）藏著一個大小不足1光月的非常明亮的發光體。中央發動機大概也在發光體內，不僅為它提供能量，也激發了湧向射電葉的噴流。
噴流還洩露了中央發動機本質的另一點線索。有的噴流在100萬光年甚至更長的距離內是絕對直的。如果這些噴流的源在轉動，那麼像灑水車上旋轉的水龍頭一樣，它會產生彎曲的噴流。所以，我們看到的直線噴流意味著，中央發動機在很長一段時間裡是在完全相同方向上點燃噴流的。多長呢？由於噴流氣體不能比光運動更快，而有些噴流比百萬光年還長，所以點火方向必須穩定百萬年以上。為達到這樣的穩定性，發動機的噴流「龍頭」必須固定在超穩定的天體——某種永久的陀螺儀上。（回想一下，陀螺是一種快速旋轉的物體，它能長時間地將旋轉軸保持在一個穩定不變的方向。這樣的陀螺儀是飛機和導彈慣性導航系統的關鍵部件。）
到80年代初，在已經提出的10多個中央發動機解釋中，只有一個需要永久的超級陀螺儀，它的大小不超過1光月，能產生強大的噴流。那是一個巨大的旋轉的黑洞。
[1] 星表是天文學家用以記載各種天體參數的編目表，大概可以追溯到公元前4世紀中國石申的《星經》。星表種類很多，內容和用途不同。在一般讀物中常看到的有《星雲星團新總表》（NGC）、《梅西耶星表》（M）等。前面看到的HDE為哈佛大學天文台出版的光譜型星表；SS為「特殊星」，列在Hα發射線星表中；這裡說的屬於射電源表（《劍橋第三射電源表》）。——譯者
[2] 見圖7.3。金茲堡不僅以這些發現出名，他還有許多別的發現：與朗道發展超導體的「金茲堡-朗道理論」（為了解釋為什麼某些金屬在很冷的情況下會完全失去對電流的阻力而提出的理論）。金茲堡是世界上幾個真正的「文藝復興式的物理學家」之一，也就是說，他幾乎對理論物理學的所有分支都有重要貢獻。
[3] 有關情況請看詞彙表中「反物質」條以及第5章。