类星体

title: 词源.
content: "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》中,描述某些天文学上令人费解的天体时创造的:
title: 观测和解释的历史.
title: 背景.
content: 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。这意味着有非常高的功率密度。 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")。
title: 早期的观测(1960年代之前).
content: 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。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。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。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。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。  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。
title: 类星体的命名.
content: 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。
title: 类星体的特征.
content: 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超大质量黑洞。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?
title: 历史上的研究.
content: 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:  目前研究以黑洞说为主流。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。
title: 活动星系核模型.
content: 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超大质量黑洞,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。

Summary: 类星体 (英语:quasar,,也以QSO或quasi-stellar object为人所知)是极度明亮的活跃星系核(AGN,active galactic nucleus)。大多数星系的核心都有一个超大质量黑洞,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跃星系核,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10 瓦特,是普通星系,例如银河系,的数千倍。"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,特别是哈伯太空望远镜,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交互作用星系或合并中的星系。与其它类型的活跃星系核,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。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。这个类星体中的超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。

Quasar: A quasar () (also known as a quasi-stellar object abbreviated QSO) is an extremely luminous active galactic nucleus (AGN), in which a supermassive black hole with mass ranging from millions to billions of times the mass of the Sun is surrounded by a gaseous accretion disk. As gas in the disk falls towards the black hole, energy is released in the form of electromagnetic radiation, which can be observed across the electromagnetic spectrum. The power radiated by quasars is enormous: the most powerful quasars have luminosities thousands of times greater than a galaxy such as the Milky Way.