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类星体

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藝術家想像中的類星體ULAS J1120+0641與被喧染的吸積盤。這是一個非常遙遠的類星體,由一個質量是太陽20億倍的黑洞所驅動[1]。創建者:ESO/M. Kornmesser

類星體 (quasar,/ˈkwzɑːr/,也以QSOquasi-stellar object為人所知)是極度明亮活躍星系核(AGN,active galactic nucleus)。大多數星系的核心都有一個超大質量黑洞,它的質量從百萬至數十億太陽質量不等。在類星體和其它形式的活躍星系核,黑洞被氣態的吸積盤環繞著。當吸積盤中的氣體朝向黑洞墬落,能量就會以電磁輻射的形式釋放出來。這些輻射被觀測到可以跨越電波紅外線可見光紫外線X射線、和γ射線電磁頻譜的波長。類星體輻射的功率非常巨大:最強大的類星體的光度超過1041 瓦特,是普通星系,例如銀河系,的數千倍[2]

"類星體"這個名詞源自於準恆星狀電波源quasi-stellar[star-like] radio source)的縮寫,因為在20世紀50年代發現這種天體時,被認定為未知物理源的電波發射源。當在可見光的照相圖中篩檢出來時,它們類似可見光的星狀微弱光點。

類星體的高解析影像,特別是哈伯太空望遠鏡,已經證明類星體是發生在星系的中心,一些類星體的宿主星系是強烈的交互作用星系合併中的星系[3]。與其它類型的活躍星系核, 類星體的觀測性質取決於許多因素,包括黑洞的質量、氣體的吸積率、吸積盤相對於觀測者的方向、存在或沒有噴流、和被氣體和在宿主星系內宇宙塵消光程度。

類星體存在的距離非常廣泛(對應於範圍從Z<0.1至Z>7.0為最遙遠的類星體),類星體發現的調查證明類星體的活動在遙遠的過去更為常見。類星體活躍的高峰時期在宇宙對應於紅移大約2,也就是大約100億年前[4]。截至2017年,發現已知最遙遠的類星體是ULAS J1342+0928,紅移z=7.54;觀測從這個類星體發出的光,觀測到當時的宇宙年齡只有6.9億歲。這個類星體中的超大質量黑洞是迄今為止發現的最遙遠黑洞,估計它的質量是我們的太陽的8億倍[5][6][7]

詞源[编辑]

"類星體"這個名詞是由台裔美國天文物理學家丘宏義在1964年5月發表在《今日物理學英语Physics Today》中,描述某些天文學上令人費解的天體時創造的:

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. 到目前為止,因為這些天體的本質是完全未知的,所以很難為它們編寫一個簡短、適當的命名,所以用來描述這種天體的名稱是笨拙又冗長的'quasi-stellar radio sources'(準恆星無線電波源)。為了方便起見,本文將使用縮寫形式的quasar(類星體)。

觀測和解釋的歷史[编辑]

史隆數位巡天的類星體3C 273影像,說明外觀像星狀的天體。
哈伯太空望遠鏡3C 273影像。右圖,一個日冕儀被用來阻擋類星體的光源,因而更容易探測到周圍的宿主星系。

背景[编辑]

在1917年和1922年間,由於希伯·柯蒂斯恩斯特·奧匹克和其他人的工作,有些天體("星雲")被天文學家看見實際上是像我們銀河系一樣的遙遠星系。但是,當電波天文學在20世紀50年代開啟時,天文學家在星系之間發現少量的異常天體,它們的屬性是難以解釋的。

這些物體在許多頻率上發射大量的輻射,但沒有一個可以在可見光上定出位置,或者在某些情況下只有一個微弱和點狀英语point-like的物體,有點像一顆遙遠的恆星。這些物體的譜線,標示物體組成的化學元素,也非常的奇怪,並且無從解釋。它們中的一些,在可見光的範圍內非常迅速的改變光度,甚至在X射線範圍內能更迅速的變化,暗示它們大小的上限,也許不大於我們自己的太陽系[8]。這意味著有非常高的功率密度[9]。 對這些天體可能是甚麼進行了大量的討論。它們被描述為"準星"(意思是像星但不是星)"電波來源"或"準星天體"(QSOs),這個名字反映出當時對這種天體的無知,然後被縮短成"類星體"("quasar")。

早期的觀測(1960年代之前)[编辑]

最早的類星體(3C 483C 273)是在1950年代後期的全天電波源調查中發現的[10][11][12][13]。它們首先被注意到沒有可見光天體能與些電波源對應。 用小望遠鏡和洛弗爾望遠鏡作為干涉儀,它們被證實有著非常小的視直徑[14]。當天文學家在天空中掃描它們的光學對應體時,有數以百計的這類天體被記錄在劍橋的3C星表。在1963年,艾倫·桑德奇Thomas A. Matthews英语Thomas A. Matthews發表文章證明電波源3C 48有明確的光學對應體。天文學家在電波源的位置發現一顆微弱的藍色恆星,並獲得了他的光譜,其中有許多未知的寬闊發射譜線。反常的頻譜讓天文學家難以解釋。

英澳英语British-Australian people天文學家約翰·博爾頓對類星體做了許多早期的觀測,包括在1962年的突破。另一個電波源3C 273,被預測將被月球掩蔽5次。Cyril Hazard英语Cyril Hazard和約翰·博爾頓使用帕克斯電波望遠鏡英语Parkes Observatory測量了其中一次的掩蔽,讓馬爾滕·施密特找到一個可以和這個電波源對應的可見光源,並且使用帕洛瑪山200吋的海爾望遠鏡取得可見光光譜。這一光譜顯示了同樣的奇怪發射譜線。施密特證明了這些都是普通的氫譜線,只是被紅移了15.8% -天文學家從未見過的極端紅移。如果這是由於"恆星"的移動造成,那麼3C 273的速度約為每秒47,000公里,遠遠超過任何已知恆星的速度,並違背了任何明顯的解釋[15]。極端的速度也不能說明3C 273巨大的電波發射量。

雖然,它引發了許多問題,但施密特的發現迅速徹底改革了類星體的觀測。3C 48奇怪的光譜迅速的被施密特、格林斯坦和Oke發現是氫和被紅移37%的譜線。不久之後,1964年有2個以上,1965年有5個以上的類星體光譜被證明是普通的光譜線被極端程度的紅移造成[16]

雖然,這些觀測和紅移本身沒有被懷疑,但如何正確的解釋卻引起了爭議。博爾頓建議從類星體發射的輻射,來源是高度紅移的遙遠高速天體的普通光譜線,在當時未被廣泛地接受。

物理的理解和發展(1960年代)[编辑]

类星体的命名[编辑]

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[编辑]

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,形成於大爆炸7.5億年後。ULAS J1342+0928形成於大爆炸6.9億年後,是已知最古老的類星體和超大質量黑洞[17]根据哈伯定律,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裡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[编辑]

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。
  • 超新星連環爆炸假說:認為在起初宇宙的恆星都是些大質量的短壽類型,所以超新星現象很常見,而在星系核部的恆星密度極大,所以在極小的空間內經常性地有超新星爆炸。
  • 恆星碰撞爆炸:認為起初宇宙較小時代,星系核的密度極大,所以常發生恆星碰撞爆炸。

目前研究以黑洞說為主流。[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[编辑]

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超大質量黑洞,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

參考資料[编辑]

  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]. 
  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]. 
  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. ^ 層層透視大宇宙:黑洞秘密(Strip the Cosmos: Secrets of the Black Hole). 科學頻道. 2014-11-12.

参阅[编辑]

外部链接[编辑]