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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
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,/ˈkwzɑːr/,也以QSOquasi-stellar object为人所知)是极度明亮活动星系核(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气态吸积盘环绕着。当吸积盘中的气体朝向黑洞墬落,能量就会以电磁辐射的形式释放出来。这些辐射被观测到,发现可以跨越电波红外线可见光紫外线X射线、和γ射线电磁频谱的波长。类星体辐射功率非常巨大:最强大的类星体的光度超过1041 瓦特,是普通星系,例如银河系,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,包括黑洞质量气体吸积率、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。
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。
哈勃空间望远镜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

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 483C 273)是在1950年代后期的全天电波源调查中发现的[10][11][12][13]。它们首先被注意到没有可见光天体能与些电波源对应。 用小望远镜和洛弗尔望远镜作为干涉仪,它们被证实有着非常小的视直径[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。反常的频谱让天文学家难以解释。

英澳英语British-Australian people天文学家约翰·博尔顿对类星体做了许多早期的观测,包括在1962年的突破。另一个电波源3C 273,被预测将被月球掩蔽5次。Cyril Hazard英语Cyril Hazard和约翰·博尔顿使用帕克斯电波望远镜英语Parkes Observatory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光谱。这一光谱显示了同样的奇怪发射谱线。施密特证明了这些都是普通的氢谱线,只是被红移了15.8% -天文学家从未见过的极端红移。如果这是由于"恒星"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,并违背了任何明显的解释[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)

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了普通星系,有的竟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,这就提出了能量疑难,也就是说:类星体如此巨大的能量从何而来?它们的能量机制是什么?

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,其巨大的红移是由和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椭圆星系

参考资料

  1. ^ Most Distant Quasar Found. ESO Science Release. [4 July 2011]. 
  2. ^ Wu, Xue-Bing; 等. 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. doi:10.1038/nature14241. 
  3. ^ Bahcall, J. N.; 等. 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. doi:10.1086/303926. 
  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; 等. An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5. Nature. 6 March 2018, 553 (7689): 7 [6 December 2017]. Bibcode:2018Natur.553..473B. arXiv:1712.01860. doi:10.1038/nature25180. 
  6. ^ Choi, Charles Q. Oldest Monster Black Hole Ever Found Is 800 Million Times More Massive Than the Sun. Space.com. 6 December 2017 [6 December 2017]. 
  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). 
  8. ^ Hubble Surveys the "Homes" of Quasars. HubbleSite. 1996-11-19 [2011-07-01]. 
  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. doi:10.1086/316378. 
  11. ^ Our Activities. European Space Agency. [3 October 2014]. 
  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. Bibcode:1963ApJ...138...30M. doi:10.1086/147615. 
  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]. 
  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. ^ http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept04/Shields/Shields3.html
  17. ^ Oldest Monster Black Hole Ever Found Is 800 Million Times More Massive Than the Sun
  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

外部链接

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