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。