類星體

類星體 （英語：quasar，ˈ，也以QSO或quasi-stellar object為人所知）是極度明亮的活躍星系核（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墜落，能量就會以電磁輻射的形式釋放出來。這些輻射被觀測到，發現它可以跨越電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、和γ射線等電磁頻譜的波長。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，是銀河系等普通星系的數千倍。「類星體」這個名詞源自於準恆星狀電波源（quasi-stellarstar-like radio source）的縮寫，因為在1950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或合併中的星系。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的消光程度。類星體存在的距離非常廣泛（對應於範圍從Z7.0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100億年前。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。

## 詞源

"類星體"這個名詞是由華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》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

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### 背景

在1917年和1922年間，由於希伯·柯蒂斯、恩斯特·厄皮克和其他人的工作，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。這意味著有非常高的功率密度。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）

最早的類星體（3C 48和3C 273）是在1950年代後期的全天電波源調查中發現的。人們首先注意到沒有可見光天體能與這兩個電波源對應。用小望遠鏡和洛弗爾望遠鏡作為干涉儀，證實它們的視直徑非常小。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·桑德奇和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。這種反常的頻譜讓天文學家難以解釋。

英澳天文學家約翰·博爾頓對類星體做了許多早期的觀測。其中，1962年的一次觀測獲得了突破性的進展。一個電波源3C 273，當時預計將被月球掩蔽5次。Cyril Hazard和約翰·博爾頓使用帕克斯電波望遠鏡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的光譜。這一光譜顯示了同樣的奇怪發射譜線。通過譜線之間的相對強度，施密特證明了這些都是普通的氫譜線，只是被紅移了15.8%。這是天文學家從未見過的極端紅移，如果這是由於星體的移動造成，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，並違背了當時所有的可能理論解釋。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發現是氫和鎂被紅移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。

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。

## 類星體的命名

類星體的命名統一在前面冠以類星體的英文縮寫QSO，然後加上類星體在天球上的位置坐標。例如：類星體3C48，位於赤經13h35m，赤緯+33度，於是命名為QSO01335+33。

## 類星體的特徵

絕大多數類星體都有非常大的紅移值（用Z表示）。類星體3C273（QSO1227+02）的Z=0.158，遠遠超過了一般恆星的紅移值。有不少類星體的紅移值超過了1，有的甚至達到4以上，至今發現的最遠的類星體為ULAS J1120+0641，其紅移達到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。根據哈伯定律，它們的距離遠在幾億到上百億光年之外。

觀測發現，有的類星體在幾天到幾周之內，光度就有顯著變化。因為輻射在星體內部的傳播速度不可能快於光速，因此可以判定這些類星體的大小最多只有幾「光日」到幾「光周」，大的也不過幾光年，遠遠小於一般的星系尺度。

類星體最初是在射電波段發現的，然而它在光學波段、紫外波段、X射線波段都有很強的輻射，射電波段的輻射只是很小的一部分。

根據以上事實可以想到，既然類星體距離我們如此遙遠，而亮度看上去又與銀河系裡普通的恆星差別不大（例如3C 273的星等為13等），那麼它們一定具有相當大的輻射功率。計算表明，類星體的輻射功率遠遠超過普通星系，有些竟然達到銀河系輻射總功率的數萬倍。而它們的大小又遠比星系小，這就出現能量疑難，也就是說：尚無法確認類星體的能量來源。

## 歷史上的研究

在類星體發現後的二十餘年時間裡，人們眾說紛紜，陸續提出了各種模型，試圖解釋類星體的能源疑難。比較有代表性的有以下幾種：

- 黑洞假說：類星體的中心是一個巨大的黑洞，它不斷地吞噬周圍的物質，並且輻射出能量。
- 白洞假說：與黑洞一樣，白洞同樣是廣義相對論預言的一類天體。與黑洞不斷吞噬物質相反，白洞源源不斷的輻射出能量和物質。
- 反物質假說：認為類星體的能量來源於宇宙中的正反物質的湮滅。
- 巨型脈衝星假說：認為類星體是巨型的脈衝星，磁力線的扭結造成能量的噴發。
- 近距離天體假說：認為類星體並非處於遙遠的宇宙邊緣，而是在銀河系邊緣高速向外運動的天體，其巨大的紅移是由地球相對運動的都卜勒效應引起的。
- 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。對類星體的進一步觀測發現了一些新的現象，例如光譜中不同元素的譜線紅移值並不相同，發射線和吸收線的紅移值也不盡相同。

在一些類星體中發現了超光速運動的現象。例如1972年，美國天文學家發現類星體3C120的膨脹速度達到了4倍光速。還有人發現類星體3C273中兩團物質的分離速度達到了9倍光速。而類星體3C279（QSO1254-06）內物質的運動速度達到光速的19倍。人們起初認為這對相對論提出了巨大的挑戰。最近的研究表明，這些超光速運動現象只是「視超光速」現象，起因於類星體發出的與觀測者視線方向夾角很小的亞光速噴流，實際上並沒有超過光速。

## 活動星系核模型

20世紀90年代中期，隨著觀測技術的提高，類星體的謎團開始逐漸被揭開。其中一個重要的成果是觀測到了類星體的「宿主星系」，並且測出了它們的紅移值。由於類星體的光芒過於明亮，掩蓋了宿主星系相對暗淡的光線，所以宿主星系之前並沒有引起人們的注意。直到在望遠鏡上安裝了類似觀測太陽大氣用的日冕儀一樣的儀器，遮擋住類星體明亮的光，才觀測到了它們所處的宿主星系。

現在科學界已經達成共識，類星體實際是一類活動星系核（AGN）。而在同一時期，賽弗特星系和蝎虎BL天體也被證實為是活動星系核，一種試圖統一射電星系、類星體、賽弗特星系和蝎虎BL天體的活動星系核模型逐漸受到普遍認可。

這個模型認為，在星系的核心位置有一個超大質量黑洞，在黑洞的強大引力作用下，附近的塵埃、氣體以及一部分恆星物質圍繞在黑洞周圍，形成了一個高速旋轉的巨大的吸積盤。在吸積盤內側靠近黑洞視界的地方，物質掉入黑洞裡，伴隨著巨大的能量輻射，形成了物質噴流。而強大的磁場又約束著這些物質噴流，使它們只能夠沿著磁軸的方向，通常是與吸積盤平面相垂直的方向高速噴出。如果這些噴流剛好對著觀察者，就觀測到了類星體，如果觀察者觀測活動星系核的視角有所不同，活動星系核則分別表現為射電星系、賽弗特星系和蝎虎BL天體。這樣一來，類星體的能量疑難初步得到解決。

類星體與一般的那些「平靜」的星系核不同之處在於，類星體是年輕的、活躍的星系核。由類星體具有較大的紅移值，距離很遙遠這一事實可以推想，我們所看到的類星體實際上是它們許多年以前的樣子，而類星體本身很可能是星系演化早期普遍經歷的一個階段。隨著星系核心附近「燃料」逐漸耗盡，類星體將會演化成普通的旋渦星系和橢圓星系。

## 參閱

- 超大類星體群
- 微類星體
- 活動星系核
- 射電星系
- 賽弗特星系
- 蝎虎BL天體