活动星系核

历史

早期对邻近星系的摄影观测发现了一些活动星系核发射谱线的明显特征，尽管那时候还没有活动星系核类型现象的物理知识。一些早期观测，包括由爱德华·法思使用分光光度法探测M77和M81核心谱线（发表于1909年），希伯·柯蒂斯发现M87的喷流(发表于1918年)。由天文学家维斯托·斯里弗、米尔顿·赫马森、尼古拉斯·梅奥尔发起的进一步的分光光度法研究，记录了一些星系核不同寻常的发射线。在1943年，塞弗特发表了一篇论文，描述了对邻近星系的观测结果，这些星系有着明亮的星系核，是不寻常宽发射线的来源。作为该研究的一部分，塞弗特观测到的星系包括M77、NGC 4151、NCG 3516、NGC 7469。如上活动星系被称作塞弗特星系，以纪念塞弗特的开创性工作。
射电天文学的发展是理解活动星系核的一个主要因素。一些早期发现的射电源都在椭圆星系附近，如M87和人马座A。另一射电源，由沃尔特·巴德和鲁道夫·闵可夫斯基确认的天鹅座A，是一个谱线不同寻常的、退行速度达1.67万公里/秒的潮汐畸变星系随着与射电辐射关联的可见光源的确认，3C星表引领着新射电源发现的进一步发展。在摄影图像中，一些天体在外观上近似点状或类似恒星状，被归类为类似恒星状射电源（随后缩写为类星体）。
1963年，由马尔滕·施密特发起的对类星体3C 273红移量的测量是一个重要的突破。施密特注意到，如果该天体属于河外星系（银河系之外，在宇宙距离上），它的红移量达到0.158。这是星系的核心区域，比其他已确认的射电星系强大100倍。不久之后，可见光波谱用于测量数量不断增长的类星体的红移量，包括3C 48，它的红移量达0.37，甚至更加遥远。
这些类星体有着巨大的光度，且谱线特性不同寻常，这表明了它们的能量来源不可能是普通恒星。1964年，埃德温·萨尔皮特和雅可夫·泽尔多维奇发表论文提出，超大质量黑洞对气体的吸积是类星体能量的来源。1969年唐纳德·林登贝尔提出，邻近星系中包含的超大质量黑洞是“死去”的类星体的遗迹，那个黑洞吸积是邻近的塞弗特星系非恒星辐射的能量来源。20世纪60年代和70年代，X射线天文学观测证实了塞弗特星系和类星体X射线辐射的强大来源，这些辐射起源于黑洞吸积盘的内部区域。
今天，无论是观测天文学，抑或是理论天文学，活动星系核都是它们研究的主要课题。活动星系核的研究包括在光度和红移的广阔范围上发现活动星系核的观测调研，宇宙演化和黑洞成长的检验、黑洞吸积物理学的研究、活动星系核的电磁辐射，活动星系核物质喷流和外流特征的检验、黑洞吸积的碰撞、星系演化中类星体的活动等领域。

模型

长久以来已有关于活动星系核必须有将物质吸积进10⁶至10¹⁰倍太阳质量黑洞的驱动模式的争论 活动星系核既坚实又持续极度明亮。吸积能潜在有效地将势能和动能转化为辐射，大质量黑洞拥有很高的爱丁顿光度，结果就是它能提供观测得到的持续光度。超大质量黑洞如今被认为是位于绝大多数（如果不是所有）大质量星系的中心，因为黑洞的质量与星系核球或核球光度的速度离散高度相关。因而类活动星系核的特征被预计为无论何时用于吸积的物质的供给都会来到黑洞的影响球体之内。

吸积盘

在活动星系核的标准模型中，靠近黑洞的冷物质形成吸积盘。吸积盘中的耗散过程向内转移物质，角动量向外，与此同时使得吸积盘变热。吸积盘的预测发射谱线在可见光-紫外达到最大；除此之外，热物质的冕在吸积盘之上形成，拥有以反康普顿散射的方式将光子提高至X光的能量。从吸积盘而来的辐射激发了接近黑洞的的原子性物质，反过来在特定的发射线上发出辐射。活动星系核辐射的很大部分可能被靠近吸积盘的星际物质和宇宙尘所遮蔽，但（在稳定状况下）这将会以其他波段--绝有可能是红外波段--重新辐射出来。

相对论性喷流

一些吸积盘产生一对高准直、快速流出物的喷流，这对喷流在吸积盘的相反方向出现。喷流的方向不是由吸积盘的角动量轴就是由黑洞的旋转轴决定的。由于天文仪器的分辨率过低，如今对喷流的产生机制以及在小尺度上喷流的成分仍未有了解。在无线电波段上，喷流拥有最明显的观测结果，超长极限干涉测量能用作在吸积盘散发的，在次秒差距尺度分辨率上的同步辐射的研究。然而，它们经由同步辐射和康普顿散射过程，辐射范围覆盖无线电波段至γ射线，因而活动星系核是第二个可任意观测连续辐射的潜在来源。

辐射低效活动星系核

有一种解析吸积的模式，称为“低效辐射”。其中广为认知的是平流主导吸积流（ADAF），但也有其他理论。对处于爱丁顿光度下的吸积速率来说，这种吸积类型非常重要。在这种吸积之下，所吸积的物质不会形成薄盘，因而不存在靠近黑洞而获得有效的能量辐射。辐射低效吸积能用来解析星系群中椭圆星系的中心黑洞的强活动星系核类型辐射的缺失。辐射低效活动星系核将用作缺乏许多特征、有吸积盘的标准活动星系核。

粒子加速

活动星系核是高能宇宙射线或超高能宇宙射线的候选来源。（参见加速离心机理）。

活动星系类型

很方便就能将活动星系核分成两类，按常规成为射电宁静活动类与射电噪类。射电噪类的辐射来自天体射流和射流膨胀裂开共同带来的辐射。这些辐射决定着活动星系核在无线电波，可能在一些或所有其他波长的光度。由于喷流和喷流相关的辐射可以在所有波长上被忽略，射电宁静类天体就相对简单多了。
术语“活动星系核”时常令人迷惑，因为不同类型的活动星系核的差别有时反映了历史性的差别，这些历史性的差别来自在天体如何被发现或最初如何被归类，而不是真正物理上的不同。

活动星系核种类的统一模型

统一模型提出，观测到的活动星系核不同的类型是单一的物理天体类型在不同条件下的观测结果。现今最受欢迎的统一模型是“基于方向的统一模型”，简而言之，意思是不同类型天体的区别是由于它们对于观测者方向不同而产生的。然而，他们被辩倒了（看下面）。

射电宁静统一模型

在低亮度之下，被统一建模的天体是塞弗特星系核。统一模型提出，在塞弗特I型星系核中，观测者能直接观测到活动星系核。在塞弗特II型星系核中，星系核是从一个可见光连续区、宽线区和软X光辐射受阻挡的视线中观测到的。方向独立吸积模型的关键认知是，如果只是观测到的视线的角度一样，这两种类型天体能够是一样的。标准情况是具有环绕吸积盘的遮蔽圆环。遮蔽物必须足够大，以遮蔽宽线区，但不足以遮蔽窄线区。在两个类型上都能看到宽线区和窄线区。塞弗特II型星系核是透过圆环被看到的。圆环之外的是一些能分散一些核辐射的物质，允许我们看到可见光和X光连续区，在某些情况下，被强烈偏振的宽辐射线展示了它们已被分散，证明了一些塞弗特II型星系核确实含有隐藏的塞弗特I型星系核。塞弗特II型星系核的核心红外线观测结果也支持该情况。
在更高的亮度上，类星体取代塞弗特I型星系核，但如已提到的那样，对应的'II型类星体'如今是难以发现的。如果它们确实没有塞弗特II型星系核散乱的成分，将难以通过它们明亮的窄线和硬X光发射去发现它们。

射电噪统一模型

在历史上，射电噪统一模型上的工作已集中到高亮度射电噪类星体上。这些天体能和窄线射电星系一起，用一种直接类比于塞弗特I/II型统一模型的方式统一起来（但在反射成分方式上没有更多难题：窄线射电星系没有核可见光连续区或X光反射成分，尽管它们确实偶尔出现偏振宽线发射）。这些天体的大尺度射电结构证明了基于方向的统一模型确实是正确的、不可抗拒的证据。目前可用的X光证据，支持统一的情况：射电星系显示了从圆环而来的分散，而类星体没有，尽管射电噪天体也有软吸收喷流的相关成分，但必须要有高分辨率的观测仪器以从源头的大尺度热气体环境中分离出热辐射。从视线的一个小角度上看，相对论性喷流占统治地位，而我们看到一个有一些变化的耀类星体。
然而，射电星系中绝大部分是低光度、低激励的天体，这些天体不具有强烈的核发射线--无论是宽或窄；它们具有可见光连续区，看似完全与喷流相关的。它们的X光辐射也单纯是与喷流并存，大体上没有强烈的核吸收成分。这些天体不能看做类星体，尽管在射电辐射观测看来，它们包含一些高光度天体，是因为圆环从来不能针对所需成分隐藏窄线区域，也是因为红外研究揭示了它们没有隐藏的核成分。实际上在这些天体上没有事关圆环的证据。十之八九，仅在相对性辐射是重要的天体上形成不同的类型。在小视线角度上，它们表现为耀变体

射电宁静统一模型的评论

在最近的活动星系核文献中，增加的观测资料似乎与统一模型的一些关键预测相矛盾，这成为了激烈辩论的主题。例如，每一个塞弗特II型星系核有着模糊的塞弗特I型星系核（一个隐藏的宽线区）
因而，没人能够知道所有塞弗特II型星系核的气体是否从中心的单一、非恒星连续源头被光电离化，抑或是由于强烈的星暴。分光偏振研究表明只有50%的塞弗特II型星系核有隐藏的宽线区，从而将塞弗特II型星系核分为两种。两种塞弗特II型星系核似乎在光度上有所不同，没有隐藏宽线区的塞弗特II型星系核一般亮度较低。这表明了缺乏宽线区的塞弗特II型星系核与爱丁顿比率较低相关，而与遮蔽物无关。
圆环的覆盖因子可能扮演了一个重要角色。一些由活动星系核的X光研究支持的圆环模型预测了塞弗特I型星系核和塞弗特II型星系核能够从圆环覆盖因子的光度-和吸积速率相关性获得不同的覆盖因子。该模型也表明了宽线区域的吸积速率的相关性，提供了从更活跃的塞弗特I型星系核到更死气沉沉的塞弗特II型星系核的自然演化的理论基础，能够解释低光度下统一模型的失效和宽线区的演化。
单一活动星系核的研究严重偏离于统一模型，来自统计测试的结果已与之相矛盾。使用塞弗特I型星系核和II型星系核的统计样本的直接比较的统计方法的最重要缺点是选择偏好的引入，这种选择偏好是各向异性选择标准带来的。
研究邻近星系--而不是活动星系核自身首先表明了塞弗特II型星系核邻近的星系数量大于塞弗特I型星系核的，这与统一模型相矛盾。今天，克服了先前小样本量和各向异性选择的限制之后，对邻近成百上千个活动星系核临近星系的研究显示了塞弗特II型星系核的邻近星系实际上比I型的含有更多灰尘、形成更多的恒星，活动星系核类型间的联系，掌控着星系的形态和碰撞历史。此外，活动星系核类型的角度聚类研究确认了它们居于不同环境中，显示了它们居于不同质量大小的暗物质光轮中。活动星系核环境研究与基于演化的、塞弗特II型星系核在合并中转化为塞弗特I型星系核的统一模型一致，支持了早期的合并驱动激活塞弗特I型星系核核的模型。
尽管关于每一个独立研究的论战仍在继续，但他们全部同意最简单的、基于视角的活动星系核统一模型是不完善的。看起来在恒星形成和活动星系核的能量来源方面，塞弗特I型星系核和塞弗特II型星系核都是不同的。
尽管一个模糊的塞弗特I型星系核能够表现为塞弗特II型星系核可能很有效，但不是所有的塞弗特II型星系核一定要寄宿于模糊的塞弗特I型星系核上。是否是相同的模式在驱动着所有的塞弗特II型星系核、与射电噪活动星系核的联系、一些活动星系核的在短时间内两种类型间的变化机制、活动星系核类型与小/大尺度环境的联系的理解，对试图涵盖任一活动星系核的统一模型来说，仍然是重要的问题。

宇宙学用途和演化

一直以来，由于活动星系亮度高，因而无论在可见光抑或在无线波谱，它们把持着已知天体的最高红移量记录。它们也在早期宇宙研究中扮演着重要角色，但现在科学家们认识到活动星系核通常会给一张“典型”高红移量星系的照片。
看起来在宇宙早期有更多的最强亮度级别的活动星系核（射电噪和射电宁静）。这表明了宇宙早期形成了大质量黑洞，并且在宇宙早期明亮活动星系核的形成条件比起现在来说更加寻常。例如：比起现在来说，靠近星系中心冷气体的可利用性更高。这也暗示了曾是明亮的类星体的天体现在亮度更低了，或完全不活动了。由于在高红移量的情况下观测低亮度活动星系核的困难性，低亮度活动星系核的演化更少被了解到。