类星体是一种光度极高、距离我们极远的奇异天体.在分光观测中,它的谱线具有很大的红移,又不像恒星,因此称为类星体.
它们的大小不到一光年,而光度却比直径约为10万光年的巨星系还大一千倍!璀璨的光芒使我们即使远在100 亿光年之外还能观测到它们.
类星体由体积很小、质量很大的核和核外的广延气晕构成.核心辐射出巨大的能量,激发气晕中气体,产生连续光谱上叠加的强且宽的发射线.多数天文学家相信,这种异常巨大的能量来源是由中心的超大质量黑洞吸积周围物质释放的引力能提供的.
到1993年底,已经确认了10000多个类星体.
类星体又叫类星射电源.类星体的发现与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一道并称为1960年代天文学“四大发现”.
类星体的发现
1960年,美国天文学家桑德奇用一台5米口径的光学望远镜找到了剑桥射电源第三星表上第48号天体(3C48)的光学对应体.他发现3C48的光谱中,在一个奇怪的位置上有一些又宽又亮的发射线.1963年美国天文学家马丁·施密特发现在3C273的光谱中具有与3C48类似的现象,通过仔细研究,他发现这些发射线实际上是人们早已熟知的氢的发射线,只不过朝着红光的方向移动了相当长的一段距离,也就是说它们具有非常大的红移.如果在光学望远镜中观察,类星体与普通的恒星看上去似乎没有区别,因此得名类星体(Quasi Stellar Object, 或者quasar).
类星体的命名
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.
类星体的特征
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.根据哈勃定律,它们的距离远在几亿到几十亿光年之外.
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的尺度.
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3C273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?
进一步的研究
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：
黑洞假说：类星体的中心是一个巨大的黑洞,它不断地吞噬周围的物质,并且辐射出能量.
白洞假说：与黑洞一样,白洞同样是广义相对论预言的一类天体.与黑洞不断吞噬物质相反,白洞源源不断的辐射出能量和物质.
反物质假说：认为类星体的能量来源于宇宙中的正反物质的湮灭.
巨型脉冲星假说：认为类星体是巨型的脉冲星,磁力线的扭结造成能量的喷发.
近距离天体假说：认为类星体并非处于遥远的宇宙边缘,而是在银河系边缘高速向外运动的天体,其巨大的红移是由和地球相对运动的多普勒效应引起的.
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”想象,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.
活动星系核模型
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.
越来越多的证据显示,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.
最近的研究进展
2001年,美国宇航局(NASA)的科学家们发现了由18个类星体组成的 类星体星系,这是发现的规模最大的类星体星系,距离我们65亿光年.
2003年,以色列特拉维夫大学和美国哈佛大学的科学家在1月23日出版的《自然》(Nature)杂志上宣布发现了类星体周围存在暗物质晕的证据.
发现简史
20世纪50年代,天文学家用射电望远镜进行观测时,发现宇宙中存在着大量的射电源,即发出很强的无线电波的天体.但是,用光学望远镜观测时,有不少射电源却找不到相对应的光学可见天体.1960年,美国天文学家马修斯和桑德奇利用口径5米的巨型望远镜,发现一个编号为"3C48"的射电源对应于一颗16等的暗星,其紫外辐射很强,光谱中有一些"莫名其妙"的发射线.两年后,在澳大利亚有人发现另一射电源"3C273"也对应于一颗暗星.1963年,旅美荷兰天文学家施密特拍摄了这颗恒星状天体的光谱,发现其中有4条谱线相互之间的关系很像是氢元素光谱中的4条谱线.这一发现启发了马修斯等人,他们重新研究了"3C48"的光谱,证实那些"莫名其妙"的谱线原来也都是由熟悉的元素产生的,只是这一天体具有0.367的红移量.人们经过分析研究,判定它们不是银河系内的恒星,而是河外天体.
对于这种类似恒星而并非恒星的大体,人们称它们为"类星射电源".以后,通过光学观测又发现了一些在照相底片上具有类似恒星的点状像,在它们的光谱中,发射线也有很大红移,但不发出射电波,称之为"蓝星体".蓝星体与类星射电源统称为"类星体".类星体的发现进一步证明了宇宙间物质的多样性,为研究银河系外天体的形成和演化规律提供了新的观测对象.根据它们在照相底片上呈现出类似恒星的点光源像,天文学家推算其尺度大小不到1光年,或只及银河系大小的万分之一,甚至更小.
物理特征与能源之迷
类星体的显著特点是具有很大的红移,即它以飞快的速度在远离我们而去.类星体距离我们很遥远,大约在几十亿光年以外,甚至更远,但看上去光学亮度却不弱,可见光区的辐射功率是普通星系的成百上千倍,而射电辐射功率竞比普通星系大上100万倍,实在是令人难以置信.
一部分天文学家认为,类星体可能并不位于由其红移值推算出的遥远距离处,而是在银河系附近.还有的人怀疑它的红移是否满足业己确立多年的哈勃定律.总而言之,对类星体的研究已构成了对近代物理学的挑战,而问题的解决,有可能使我们对自然规律的认识向前跨一大步.
