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类星体

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艺术家想像中的类星体ULAS J1120+0641与被喧染的吸积盘。这是一个非常遥远的类星体，由一个质量是太阳20亿倍的黑洞所驱动[1]。创建者：ESO/M. Kornmesser

类星体 （英语：quasar，/ˈkweɪzɑːr/，也以QSO或quasi-stellar object为人所知）是极度明亮的活动星系核（AGN，active galactic nucleus）。大多数星系的核心都有一个特大质量黑洞，它的质量从百万至数十亿太阳质量不等。在类星体和其它形式的活动星系核，黑洞被气态的吸积盘环绕着。当吸积盘中的气体朝向黑洞坠落，能量就会以电磁辐射的形式释放出来。这些辐射被观测到，发现它可以跨越电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、和γ射线等电磁频谱的波长。类星体辐射的功率非常巨大：最强大的类星体的光度超过1041 瓦特，是银河系等普通星系的数千倍[2]。“类星体”这个名词源自于准恒星状电波源（quasi-stellar[star-like] radio source）的缩写，因为在1950年代发现这种天体时，被认定为未知物理源的电波发射源，当在可见光的照相图中筛检出来时，它们类似可见光的星状微弱光点。类星体的高解析影像，特别是哈勃空间望远镜，已经证明类星体是发生在星系的中心，一些类星体的宿主星系是强烈的相互作用星系或合并中的星系[3]。与其它类型的活动星系核，类星体的观测性质取决于许多因素，包括黑洞的质量、气体的吸积率、吸积盘相对于观测者的方向、存在或没有喷流、和被气体和在宿主星系内宇宙尘的消光 (天文学)程度。类星体存在的距离非常广泛（对应于范围从Z<0.1至Z>7.0为最遥远的类星体），类星体发现的调查证明类星体的活动在遥远的过去更为常见。类星体活跃的高峰时期在宇宙对应于红移大约2，也就是100亿年前[4]。截至2017年，发现已知最遥远的类星体是ULAS J1342+0928，红移z=7.54；观测从这个类星体发出的光，观测到当时的宇宙年龄只有6.9亿岁。这个类星体中的特大质量黑洞是迄今为止发现的最遥远黑洞。估计它的质量是我们的太阳的8亿倍[5][6][7]。

词源

"类星体"这个名词是由华裔美国天文物理学家丘宏义在1964年5月发表在《今日物理学（英语：Physics Today）》中，描述某些天文学上令人费解的天体时创造的：

So far, the clumsily long name 'quasi-stellar radio sources' is used to describe these objects. Because the nature of these objects is entirely unknown, it is hard to prepare a short, appropriate nomenclature for them so that their essential properties are obvious from their name. For convenience, the abbreviated form 'quasar' will be used throughout this paper. 到目前为止，因为这些天体的本质是完全未知的，所以很难为它们编写一个简短、适当的命名，所以用来描述这种天体的名称是笨拙又冗长的'quasi-stellar radio sources'（准恒星无线电波源）。为了方便起见，本文将使用缩写形式的quasar（类星体）。

观测和解释的历史

斯隆数字化巡天的类星体3C 273影像，说明外观像星状的天体。
哈勃空间望远镜的3C 273影像。右图，一个日冕仪被用来阻挡类星体的光源，因而更容易探测到周围的宿主星系。

背景

主条目：星系 § 与其他星云的区别

在1917年和1922年间，由于希伯·柯蒂斯、恩斯特·奥匹克和其他人的工作，有些天体（"星云"）被天文学家看见实际上是像我们银河系一样的遥远星系。但是，当电波天文学在20世纪50年代开启时，天文学家在星系之间发现少量的异常天体，它们的属性是难以解释的。

这些物体在许多频率上发射大量的辐射，但没有一个可以在可见光上定出位置，或者在某些情况下只有一个微弱和点状（英语：point-like）的物体，有点像一颗遥远的恒星。这些物体的谱线，标示物体组成的化学元素，也非常的奇怪，并且无从解释。它们中的一些，在可见光的范围内非常迅速的改变光度，甚至在X射线范围内能更迅速的变化，暗示它们大小的上限，也许不大于我们自己的太阳系[8]。这意味着有非常高的功率密度[9]。 对这些天体可能是什么进行了大量的讨论。它们被描述为"准星"（意思是像星但不是星）"电波来源"或"准星天体"（QSOs），这个名字反映出当时对这种天体的无知，然后被缩短成"类星体"（"quasar"）。

早期的观测（1960年代之前）

最早的类星体（3C 48和3C 273）是在1950年代后期的全天电波源调查中发现的[10][11][12][13]。人们首先注意到没有可见光天体能与这两个电波源对应。用小望远镜和洛弗尔望远镜作为干涉仪，证实它们的视直径非常小[14]。当天文学家在天空中扫描它们的光学对应体时，有数以百计的这类天体被记录在剑桥的3C星表。在1963年，艾伦·桑德奇和Thomas A. Matthews（英语：Thomas A. Matthews）发表文章证明电波源3C 48有明确的光学对应体。天文学家在电波源的位置发现一颗微弱的蓝色恒星，并获得了他的光谱，其中有许多未知的宽阔发射谱线。这种反常的频谱让天文学家难以解释。

英澳天文学家约翰·博尔顿对类星体做了许多早期的观测。其中，1962年的一次观测获得了突破性的进展。一个电波源3C 273，当时预计将被月球掩蔽5次。Cyril Hazard（英语：Cyril Hazard）和约翰·博尔顿使用帕克斯电波望远镜测量了其中一次的掩蔽，让马尔滕·施密特找到一个可以和这个电波源对应的可见光源，并且使用帕洛玛山200吋的海尔望远镜取得可见光的光谱。这一光谱显示了同样的奇怪发射谱线。通过谱线之间的相对强度，施密特证明了这些都是普通的氢谱线，只是被红移了15.8%。这是天文学家从未见过的极端红移，如果这是由于星体的移动造成，那么3C 273的速度约为每秒47,000公里，远远超过任何已知恒星的速度，并违背了当时所有的可能理论解释[15]。极端的速度也不能说明3C 273巨大的电波发射量。

虽然它引发了许多问题，但施密特的发现迅速彻底改革了类星体的观测。3C 48奇怪的光谱迅速的被施密特、格林斯坦和Oke发现是氢和镁被红移37%的谱线。不久之后，1964年有2个以上，1965年有5个以上的类星体光谱被证明是普通的光谱线被极端程度的红移造成[16]。

虽然，这些观测和红移本身没有被怀疑，但如何正确的解释却引起了争议。博尔顿建议从类星体发射的辐射，来源是高度红移的遥远高速天体的普通光谱线，在当时未被广泛地接受。

物理的理解和发展（1960年代）

主条目：红移、膨胀宇宙（英语：metric expansion of space）和宇宙

类星体的命名

类星体的命名统一在前面冠以类星体的英文缩写QSO，然后加上类星体在天球上的位置坐标。例如：类星体3C48，位于赤经13h35m，赤纬+33度，于是命名为QSO01335+33。

类星体的特征

绝大多数类星体都有非常大的红移值（用Z表示）。类星体3C273（QSO1227+02）的Z=0.158，远远超过了一般恒星的红移值。有不少类星体的红移值超过了1，有的甚至达到4以上，至今发现的最远的类星体为ULAS J1120+0641，其红移达到7.1，形成于大爆炸7.5亿年后。ULAS J1342+0928形成于大爆炸6.9亿年后，是已知最古老的类星体和特大质量黑洞。[17]根据哈勃定律，它们的距离远在几亿到上百亿光年之外。

观测发现，有的类星体在几天到几周之内，光度就有显著变化。因为辐射在星体内部的传播速度不可能快于光速，因此可以判定这些类星体的大小最多只有几“光日”到几“光周”，大的也不过几光年，远远小于一般的星系尺度。

类星体最初是在射电波段发现的，然而它在光学波段、紫外波段、X射线波段都有很强的辐射，射电波段的辐射只是很小的一部分。

根据以上事实可以想到，既然类星体距离我们如此遥远，而亮度看上去又与银河系里普通的恒星差别不大（例如3C 273的星等为13等），那么它们一定具有相当大的辐射功率。计算表明，类星体的辐射功率远远超过普通星系，有些竟然达到银河系辐射总功率的数万倍。而它们的大小又远比星系小，这就出现能量疑难，也就是说：尚无法确认类星体的能量来源。

历史上的研究

在类星体发现后的二十余年时间里，人们众说纷纭，陆续提出了各种模型，试图解释类星体的能源疑难。比较有代表性的有以下几种：

  • 黑洞假说：类星体的中心是一个巨大的黑洞，它不断地吞噬周围的物质，并且辐射出能量。
  • 白洞假说：与黑洞一样，白洞同样是广义相对论预言的一类天体。与黑洞不断吞噬物质相反，白洞源源不断的辐射出能量和物质。
  • 反物质假说：认为类星体的能量来源于宇宙中的正反物质的湮灭。
  • 巨型脉冲星假说：认为类星体是巨型的脉冲星，磁力线的扭结造成能量的喷发。
  • 近距离天体假说：认为类星体并非处于遥远的宇宙边缘，而是在银河系边缘高速向外运动的天体，其巨大的红移是由地球相对运动的多普勒效应引起的。
  • 超新星连环爆炸假说：认为在起初宇宙的恒星都是些大质量的短寿类型，所以超新星现象很常见，而在星系核部的恒星密度极大，所以在极小的空间内经常性地有超新星爆炸。
  • 恒星碰撞爆炸：认为起初宇宙较小时代，星系核的密度极大，所以常发生恒星碰撞爆炸。

目前研究以黑洞说为主流。[18]对类星体的进一步观测发现了一些新的现象，例如光谱中不同元素的谱线红移值并不相同，发射线和吸收线的红移值也不尽相同。

在一些类星体中发现了超光速运动的现象。例如1972年，美国天文学家发现类星体3C120的膨胀速度达到了4倍光速。还有人发现类星体3C273中两团物质的分离速度达到了9倍光速。而类星体3C279（QSO1254-06）内物质的运动速度达到光速的19倍。人们起初认为这对相对论提出了巨大的挑战。最近的研究表明，这些超光速运动现象只是“视超光速”现象，起因于类星体发出的与观测者视线方向夹角很小的亚光速喷流，实际上并没有超过光速。

活动星系核模型

20世纪90年代中期，随着观测技术的提高，类星体的谜团开始逐渐被揭开。其中一个重要的成果是观测到了类星体的“宿主星系”，并且测出了它们的红移值。由于类星体的光芒过于明亮，掩盖了宿主星系相对暗淡的光线，所以宿主星系之前并没有引起人们的注意。直到在望远镜上安装了类似观测太阳大气用的日冕仪一样的仪器，遮挡住类星体明亮的光，才观测到了它们所处的宿主星系。

现在科学界已经达成共识，类星体实际是一类活动星系核（AGN）。而在同一时期，赛弗特星系和蝎虎BL天体也被证实为是活动星系核，一种试图统一射电星系、类星体、赛弗特星系和蝎虎BL天体的活动星系核模型逐渐受到普遍认可。

这个模型认为，在星系的核心位置有一个特大质量黑洞，在黑洞的强大引力作用下，附近的尘埃、气体以及一部分恒星物质围绕在黑洞周围，形成了一个高速旋转的巨大的吸积盘。在吸积盘内侧靠近黑洞视界的地方，物质掉入黑洞里，伴随着巨大的能量辐射，形成了物质喷流。而强大的磁场又约束着这些物质喷流，使它们只能够沿着磁轴的方向，通常是与吸积盘平面相垂直的方向高速喷出。如果这些喷流刚好对着观察者，就观测到了类星体，如果观察者观测活动星系核的视角有所不同，活动星系核则分别表现为射电星系、赛弗特星系和蝎虎BL天体。这样一来，类星体的能量疑难初步得到解决。

类星体与一般的那些“平静”的星系核不同之处在于，类星体是年轻的、活跃的星系核。由类星体具有较大的红移值，距离很遥远这一事实可以推想，我们所看到的类星体实际上是它们许多年以前的样子，而类星体本身很可能是星系演化早期普遍经历的一个阶段。随着星系核心附近“燃料”逐渐耗尽，类星体将会演化成普通的旋涡星系和椭圆星系。

参考资料

  1. ^ Most Distant Quasar Found. ESO Science Release. [4 July 2011]. （原始内容存档于2020-03-12）. 
  2. ^ Wu, Xue-Bing; et al. An ultraluminous quasar with a twelve-billion-solar-mass black hole at redshift 6.30. Nature. 2015, 518 (7540): 512 [5 March 2017]. Bibcode:2015Natur.518..512W. arXiv:1502.07418 可免费查阅. doi:10.1038/nature14241. （原始内容存档于2017-10-01）. 
  3. ^ Bahcall, J. N.; et al. Hubble Space Telescope Images of a Sample of 20 Nearby Luminous Quasars. The Astrophysical Journal. 1997, 479 (2): 642 [5 March 2017]. Bibcode:1997ApJ...479..642B. arXiv:astro-ph/9611163 可免费查阅. doi:10.1086/303926. （原始内容存档于2020-05-03）. 
  4. ^ Schmidt, Maarten; Schneider, Donald; Gunn, James. Spectrscopic CCD Surveys for Quasars at Large Redshift.IV.Evolution of the Luminosity Function from Quasars Detected by Their Lyman-Alpha Emission. The Astronomical Journal. 1995, 110: 68. Bibcode:1995AJ....110...68S. doi:10.1086/117497. 
  5. ^ Bañados, Eduardo; et al. An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift scale of 7.5. Nature. 6 March 2018, 553 (7689): 7 [6 December 2017]. Bibcode:2018Natur.553..473B. arXiv:1712.01860 可免费查阅. doi:10.1038/nature25180. （原始内容存档于2019-08-30）. 
  6. ^ Choi, Charles Q. Oldest Monster Black Hole Ever Found at this point is in a new Is 800 Million Times More Massive Than the Sun. Space.com. 6 December 2017 [6 December 2017]. （原始内容存档于2017-12-06）. 
  7. ^ Landau, Elizabeth; Bañados, Eduardo. Found: Most Distant Black Hole. NASA. 6 December 2017 [6 December 2017]. （原始内容存档于2019-02-18）. j
  8. ^ Hubble Surveys the "Homes" of Quasars. HubbleSite. 1996-11-19 [2011-07-01]. （原始内容存档于2016-07-06）. 
  9. ^ 7. HIGH-ENERGY ASTROPHYSICS ELECTROMAGNETIC RADIATION. Neutrino.aquaphoenix.com. [2011-07-01]. （原始内容存档于2011-07-07）. 
  10. ^ Shields, Gregory A. A BRIEF HISTORY OF AGN. The Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 1999, 111 (760): 661–678 [3 October 2014]. Bibcode:1999PASP..111..661S. arXiv:astro-ph/9903401 可免费查阅. doi:10.1086/316378. （原始内容存档于2009-09-12）. 
  11. ^ Our Activities. European Space Agency. [3 October 2014]. （原始内容存档于2019-07-20）. 
  12. ^ Matthews, Thomas A.; Sandage, Allan R. Optical Identification of 3c 48, 3c 196, and 3c 286 with Stellar Objects. Astrophysical Journal. 1963, 138: 30–56 [2018-06-18]. Bibcode:1963ApJ...138...30M. doi:10.1086/147615. （原始内容存档于2017-09-26）. 
  13. ^ Wallace, Philip Russell. Physics: Imagination and Reality. 1991. ISBN 9789971509293. 
  14. ^ The MKI and the discovery of Quasars. Jodrell Bank Observatory. [2006-11-23]. （原始内容存档于2011-08-23）. 
  15. ^ Schmidt Maarten. 3C 273: a star-like object with large red-shift. Nature. 1963, 197 (4872): 1040–1040. Bibcode:1963Natur.197.1040S. doi:10.1038/1971040a0. 
  16. ^ 存档副本. [2018-06-18]. （原始内容存档于2009-09-12）. 
  17. ^ Oldest Monster Black Hole Ever Found Is 800 Million Times More Massive Than the Sun. [2017-12-15]. （原始内容存档于2017-12-06）. 
  18. ^ 层层透视大宇宙：黑洞秘密（Strip the Cosmos: Secrets of the Black Hole）. 科学频道. 2014-11-12.

参阅

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外部链接

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