似星非星的类星体

作者 | 邢崇
审核 | 郑启烛
编辑 | 田坤平
可见光波段下的3C48(图片来源于网络)
20世纪上半叶,射电天文学的兴起无疑为天文界注入了一道新的活力,当天文学家们试着用各种不同的波段对宇宙来个“大普查”时,一种奇怪的天体进入了他们的视野——类星射电源(quasi-stellar radio sources,简称quasar)。这些天体在许多频率发出强烈辐射,但是一开始天文学家们并不能看到这些天体在可见光波段对应的样子,后来通过干涉的方法才得知,原来是因为它们看起来实在是太小太暗了。
马丁·施密特与他分析类星体光谱所使用的显微镜(图片来源于网络)
1960年,美国天文学家托马斯·马修斯和艾伦·桑得奇在其中的一个射电源3C48的位置上找到了一个像恒星一样的蓝色天体(视星等约16等)。随后越来越多这样的射电源也找到了像恒星一样对应的光学天体。天文学家们起初认为它们不过是银河系中的普通恒星,可奇怪的是,它们的光谱同3C48 一样,都出现了一些从没见过的发射线。

3C273与3C48的谱线红移(图片来源于网络)
1963年,荷兰天文学家马丁·施密特获得了射电源3C273的光谱,同样发现了一些奇怪的发射线。经过分析测量后,施密特给出了他的答案。原来,3C273光谱中陌生的发射线其实是氢谱线,只是发生了很大的红移,z=0.158,用哈勃-勒梅特定律计算便可得到它距离我们差不多有25亿光年之遥,天文学家从没见过如此极端的红移,因此这些发射线的本质才瞒过了我们的双眼。

而3C273的视星等约为12.5等,由此不难得出它的绝对星等为-26等,比一般的星系还要亮,然而它的体积非常小,也许不大于太阳系!

随后施密特等人又测量了3C48的光谱,发现它的奇怪发射线其实是氢和镁发生更大红移后的谱线,z=0.37,这意味着3C48距离我们远在40亿光年之外,并且正以差不多9万km/s的速度远离我们,这几乎达到了光速的三分之一!

类星体艺术图(图片来源于ESO)
从上面的叙述可以看得出这些天体的特征:距离遥远、体积小但光度很大。上面说过的这些天体是作为射电源被发现的,但后来发现一些类似天体,有着较大红移,光学波段的特征同类星射电源相仿,但没有射电辐射,于是把这些天体同类星射电源一起称为类星体(quasi-stellar object,简称QSO),类星体中有90%基本不发出射电辐射。当然,仅仅观测到类星体是远远不够的,如何解释这种现象成了关键,这也使得一些天文学家为了揭开关于这种神奇天体的奥秘进行了几十年的探究。

哈勃空间望远镜拍摄的3C273,右为挡住中央类星体之后的图像(图片来源于NASA)
 
之前提到了类星体距离我们十分遥远,可在地球上看来它们的亮度却和我们银河系的大多数恒星差不多,显然它的辐射功率一定远远大于我们的认知(类星体的光度可达银河系的上千倍),而这么大的辐射功率却又集中在只有几光年甚至几光天、几光时的区域,这让天文学家们十分费解。1981年,天文学家发现了3C48周围的模糊的星云状物质并获得了其光谱,测量显示光谱红移与3C48相同,说明两者在相同距离处,3C48是一个星系的明亮核心。后来哈勃空间望远镜观测到了很多类星体的宿主星系,支持了类星体的本质是活动星系核(active galactic nucleus,简称AGN)的观点,现在这一观点已得到普遍认可。

活动星系核模型(图片来源于网络)
在宿主星系的核心是一个超大质量的黑洞,受到强大引力的作用,周围的气体尘埃等物质绕着它高速旋转形成了一个巨大的吸积盘,有些物质一不小心落入了黑洞,发出强烈辐射,在这个过程中又会伴随着强大的喷流,而黑洞强大的磁场又会限制着它们只能朝着两极喷出,如果喷出的方向刚好朝着地球附近,便形成了类星体~(若喷流朝向其他方向,则表现为其他类型的活动星系核)
参考资料(1)李宗伟、肖兴华,天体物理学.第二版,高等教育出版社,2012.12(2)Quasar,Wikipedia,

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Quasar

(3)苏宜,天文学新概论.第四版,科学出版社,2009.08

(4)向守平,天体物理概论.彩色修订版,中国科学技术大学出版社,2008.11

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