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類星體是類似恆星天體的簡稱,又稱為似星體、魁霎或類星射電源,與脈衝星、微波背景輻射和星際有機分子一道並稱為20世紀60年代天文學「四大發現」。長期以來,它總是讓天文學家感到困惑不解。

1基本信息

類星體
類星體是迄今為止人類所觀測到的最遙遠的天體,距離地球至少100億光年。類星體是一種在極其遙遠距離外觀測到的高光度和和強射電的天體。類星體比星系小很多,但是釋放的能量卻是星系的千倍以上,類星體的超常亮度使其光能在100億光年以外的距離處被觀測到。據推測,在100億年前,類星體數量更多,光度更大。
類星體,又稱為似星體魁霎類星射電源,與脈衝星、微波背景輻射和星際有機分子一道並稱為1960年代天文學「四大發現」。[1-2]
類星體是宇宙中最明亮的天體,它比正常星系亮1000倍。對能量如此大的物體,類星體卻不可思議地
類星體巨大的能量

  類星體巨大的能量

小。與直徑大約為10萬光年的星系相比,類星體的直徑大約為1 光天(light-day)。一般天文學家相信有可能是物質被牽引到星系中心的超大質量黑洞中,因而釋放大量能量(噴發激烈射線)所致。這些遙遠的類星體被認為是在早期星系尚未演化至較穩定的階段時,當物質被導入主星系中心的黑洞增添「燃料」而被「點亮」。

2發現及命名

灰塵環繞的類星體被發現

  灰塵環繞的類星體被發現

20世紀六十年代,天文學家在茫茫星海中發現了一種奇特的天體,從照片看來如恆星但肯定不是恆星,光譜似行星狀星雲但又不是星雲,發出的射電(即無線電波)如星系又不是星系,因此稱它為「類星體」。類星體的發現,與宇宙微波背景輻射、脈衝星、星際分子並列為20世紀60年代天文學四大發現。
1960年天文學家們發現了射電源3C 48的光學對應體是一個視星等為16等的恆星狀天體,周圍有很暗的星雲狀物質。令人不解的是光譜中有幾條完全陌生的譜線。1962年,又發現了在射電源3C 273的位置上有一顆13等的「恆星」。使天文學家同樣困惑的是其光譜中的譜線也不尋常。
定名
1965年 A.Sandage 發現許多類星體,它們的光學性質和類星電波源相同;都有緊密的結構,極亮的表面及藍的顏色;但它們卻沒有輻射無線電波(或是太弱了,而沒被測到),因此可將它們分為兩類:
類星電波源QSR's:能用光學及電波段測出,這類比較少,占類星體總數的1/20。
類星體QSO's(或稱電波寧靜類星體):電波較弱,只能以光學測出。
類星體代表的是同一種天體,只不過有的電波輻射強度不同;科學家相信,具有強烈電波輻射的類星體可能是類星體「一生」中處於短暫的「發高燒」階段的產物。因此,稱之為類星電波源(quasars)或類星體(quasistellar objects)都可以;有必要時,再注意它有沒有輻射電波即可。
在可見光及電波波段的天空搜尋中,數千個類星體已被發現;例如 M.P. Veron-Cetty 及 P.Veron(1989)作的星表目錄中有4,170個類星體,A.Hewit t和 G.Burbidge(1987)所出星表中3,570個附有紅移資料的類星體。

3特點

類星體

  類星體

類星體的顯著特點是具有很大的紅移,表示它正以飛快的速度在向地球遠離。類星體離地球很遠,大約在100億光年以外,可能是目前所發現最遙遠的天體,天文學家能看到類星體,是因為它們以光、無線電波或x射線的形式發射出巨大的能量。
主要觀測特點
①類星體在照相底片上具有類似恆星的像,這意味著它們的角直徑小於1″。極少數類星體有微弱的星雲狀包層,如3C48。還有些類星體有噴流狀結構。
②類星體光譜中有許多強而寬的發射線,包括容許譜線和禁線。最經常出現的是氫、氧、碳、鎂等元素的譜線,氦線非常弱或者不出現,這隻能用氦的低丰度來解釋。普遍認為,類星體的發射線產生於一個氣體包層,產生的過程與一般的氣體星雲類似。類星體的發射線很寬,說明氣體包層中一定存在猛烈的湍流運動。有些類星體的光譜中有很銳的吸收線,說明產生吸收線的區域里湍流運動的速度很小。
③類星體發出很強的紫外輻射,因此,顏色顯得很藍。光學波段連續光譜的能量分佈呈冪律譜形式,為輻射強度,v為頻率,α為譜指數,常大於零。光學輻射是偏振的,具有非熱輻射性質(見熱輻射和非熱輻射)。另外,類星體的紅外輻射也非常強。
④類星射電源發出強烈的非熱射電輻射。射電結構多數呈雙源型,少數呈複雜結構,還有少數是緻密的單源,角直徑小於0″.001,至今都未能分辨開。緻密源的位置通常都與光學源重合。射電輻射的頻譜指數α平均為0.75。一般,α>0.4的稱陡譜;α<0.4的稱平譜。陡譜射電源多數是雙源;平譜射電源多數是緻密單源,它們的厘米波段輻射特彆強。
⑤類星體一般都有光變,時標為幾年。少數類星體光變很劇烈,時標為幾個月或幾天。從光變時標可以估計出類星體發出光學輻射的區域的大小(幾光日至幾光年)。類星射電源的射電輻射也經常變化。觀測還發現有幾個雙源型類星射電源的兩子源,以極高的速度向外分離。光學輻射和射電輻射的變化沒有周期性。
⑥類星體的發射線都有很大紅移。迄今為止,觀測到的最大紅移為3.53(OQ 172)。對於有吸收線的類星體來說,吸收線紅移z吸一般小於發射線紅移z發。有些類星體有好幾組吸收線,分別對應於不同的紅移,稱為多重紅移。例如,類星體PHL 957的發射線紅移為2.69,吸收線紅移有五組:2.67、2.55、2.54、2.31、2.23。
⑦觀測表明,有些類星體還發出X射線輻射。

4歷史紀錄

最近的類星體-3C273(M.Schmidt所發現):
視星等mv=12.8(其餘的比16等還暗),紅移z=0.158(相當距離950Mpc.約等於31億光年遠)。
最亮的類星體-S50014+81:
絕對星等Mv=-33等(mv=16.5);z值為3.14。
最大紅移指數(相當於最遠)的類星體-PKS2000-300:
mv=19,z=3.78(記錄已被取代,並不斷刷新中!)。
不過在1986年後,發現越來越多更大紅移的類星體,其中約有30個z值超過4的;最近的報告(1990年)指出,PC1247+3406的z值為4.90。值得一提的是,類星體的數目似乎以Z=2左右為分界;紅移小於2的隨著z值增大,數目也越多,而紅移大於2的,分佈趨勢則相反,z值越大的類星體數目越小。
最早發現類星體巨大紅移現象的,是 M.Schmidt 在分析3c 273光譜時頓悟的;他感覺那些強烈的發射譜線相對排列順序與氫原子光譜的幾條譜線很相似;不同的只是整個光譜都向紅端(長波)移動了一大截。
類星體的紅移量是如此的巨大,不能只是以簡單的哈勃定律(距離d與z值成正比)來決定它的距離;而必須以廣義相對論為基礎的宇宙模式來解釋它。

5研究進展

目前所知最遠的類星體,約150億光年。2001年,美國宇航局(NASA)的科學家們發現了由18個類星體組成的類星體星系,這是發現的規模最大的類星體星系,距離地球65億光年。[2]
2003年,以色列特拉維夫大學和美國哈佛大學的科學家在1月23日出版的《自然》(Nature)雜誌上宣布發現了類星體周圍存在暗物質暈的證據。[2]
2006年,歐洲科學家稱發現神秘罕見的「孤兒」類星體。
2007年,科學家首次發現十分罕見的類星體三胞胎。
2008年,科學家發現罕見的可以製造X射線的類星體。
2011年科學家用哈勃望遠鏡揭開了一個神秘天體的面紗。2007年,一位德國生物老師在夜空中發現神秘綠色天體,距地球約6.5億光年,被稱為漢妮天體。原來這是個已經死亡的類星體。
漢妮天體(Hanny』s Voorwerp,Voorwerp是荷蘭語中「物體」的意思),可以說是宇宙中最神秘的天體之一。但2011年1月10日美國天文學會第217次會議上公開的哈勃太空望遠鏡拍攝到的精細照片和X光觀測數據,終於揭開了漢妮天體的神秘面紗。
由許多地面和太空望遠鏡拍攝到的原始圖像表明,漢妮天體是一團巨大的炙熱氣體。天文學家推測,漢妮天體所發出的光,來自於一個名為IC2497的相鄰星系的輻射。
科學家認為,IC2497的內核里有一個巨大的黑洞,曾經吞噬掉了各種氣體和星體,並釋放出兩股相反的炙熱氣體和高能輻射。這種活躍的星系也被稱為類星體。當類星體發出的輻射擊中氣體雲時,就會激發氧原子,使氣體雲發出綠色的光芒。
美國耶魯大學的天文學家Kevin Schawinski在進行了X光觀測之後發現,這個類星體已經不再活躍了,這可能是因為它中央的黑洞已經沒有「食物」可吃了。但科學家們認為,這個類星體死亡不久,因為漢妮天體還仍然在發光。
鑒於IC2497的光需要幾萬年才能抵達漢妮天體,因此天文學家推測類星體應該是在不到20萬年前熄滅的。這也意味著,它熄滅的速度要比科學家想象的快得多。
2010年4月由哈勃望遠鏡觀測到的最新圖像也證實了死亡類星體的假說。值得一提的是,那次觀測發現了漢妮天體里有一些年輕的恆星群,它們中的有些年齡不會超過100萬歲。

6與星系的關係

類星體的絕對星等Mv在-25-- -33等之間(由哈勃常數Ho=50km/s·Mpc推算),這可推論出其光度在1012--1014L⊙之間(約4*1038--1041W),這代表類星體是宇宙最亮的天體;它們是遙遠活躍星系的極亮核及塞佛特星系、N星系及電波星系強烈活動的延續。這些的星系的輪廓只有在最近的類星體3C273的光學影像中被辨認出,呈現模糊、擴張、雲霧狀的斑點;通常星系被比它亮很多的核的光芒所掩過,而呈現類星體的現象。只有以極靈敏的CCD偵測器及現代影像擴大技術,這才比較有可能測出那些z≦0.5的類星體及和它有關的星系(因z值越小之類星體距離越近,與其有關之母星系才不至於太暗)。減去類星體光度后的星系絕對星等在-21-- -23等之間,是直徑40--150kpc的橢圓星系或漩渦星系。觀測結果認為有強電波輻射的類星體可能屬於橢圓星系,而無電波類星體則屬於漩渦星系。
此外,在某些類星體中,其分立的子電波源間出現分離的相對速度居然快過光速的超光速運動現象!例如3C273;由巨大天線陣(VLA)從1977年到1980年,以波長2.8cm的無線電波波段觀測結果顯示,其分立兩子電波源間分離速度高達11倍光速。
雖然,光速是物體運動速度的極限也是能量傳遞速度的極限;但這種看似不可思議的超光速現象,在視覺上卻有可能造成超光速的現象。例如,在夜晚將探照燈射向高空,由於雲層的反射,天空會出現亮點;當地面的探照燈緩慢轉動時,在高空的亮點卻以極快的速度在移動。如果這雲層夠高,亮點的速度甚至可以超過光速。以這模型來解釋上述類星體中的現象,認為是由類星體中心母體噴出兩股相反方向的粒子流(相當於探照燈的光),它照在星際介質上(相當於高空的雲),從而激起電波輻射(相當於亮點);因此,只要中心母體有小小的擺動,粒子流照射所激起的輻射區就會迅速的移動;如此看來,這兩輻射區相離速度超過光速就大有可能了。

7巨大紅移之謎

根據同步電子輻射原理推論出,類星體中黑洞質量--108M⊙,所有輻射能(光度)--1039W≒1013L
引力透鏡與類星體

  引力透鏡與類星體

⊙。根據相對論E=m·c2推算其壽命約108年。推算出如此巨大能量之結果,使得一些天文學家質疑:決定距離的基礎是否為哈勃紅移關係?
一般認為紅移所代表的可能性有三種:
哈勃紅移
越遠的星系紅移效應越大;類星體是目前所發現的最遠的星系,它可能代表宇宙的邊緣或最早的宇宙。
引力紅移
就是從遠離強引力場的地方觀測,譜線會向長波的方向移動;但需要的引力場極大(約一億個太陽質量的黑洞),且造成的譜型與類星體的不符。
局部紅移
認為可能是某些星系高速噴出物質所造成之局部現象(與上述視線之超光速原理相同);支持的證據是,很多星系及類星體常成雙或成群出現,而它們之間的紅移值截然不同。反對的說法是,也有不少成群協同的類星體、星團和它們的母星系有相同的紅移量。
其中以支持哈勃紅移理論的證據最為有力。
尋找紅移與星系相近的低紅移類星體:
以z≦0.5為範圍,果然找到很多與橢圓或漩渦星系有關而紅移相近的類星體;而高紅移星系實在太暗,難以測出,不適用此法。
雙胞胎類星體的證據:
1979年 D.Walsh,R.F.Carswell 和 R.J.Weymann 吃驚的發現類星體QSO0957+561A及B不但距離極近(5.7"),星等同樣是17等,z值同為1.41, 甚至完全相同的光譜。令人懷疑他們根本是同一天體,只是被重力透鏡影響光線偏折而呈二重像。後來果然在類星體B旁發現一模糊的雲霧,測量結果發現它是造成此光學二重像效應z=0.39 的中介星系(介於地球與此類星體之間)。此發現意義極重大,不但印證了愛因斯坦廣義相對論中重力透鏡的預測,而且證明紅移大(z=1.41)之類星體在紅移小(z=0.39)星系之後,更支持了哈勃紅移的理論。
重力透鏡造成的光變:
當中介星系轉動時,由於重力的作用,使其後方類星體的光度發生變化;理論上可從觀測到的類星體光變時間及影像空間角度,去推算類星體距離,再去印證哈勃紅移所推算之距離是否正確。可惜,在類星體與地球之間常有無數物質,造成引力的多重影響,而不易以此法測出,有待將來進一步的改良觀測技術。
吸收線的支持:
類星體中吸收譜線所測得的Zabs與發射譜線的z值不同,一般是Zabs≦Z;如果發射線z值是代表類星體的位置(距離),則其吸收線之Zabs則是類星體和地球之間許多的星際間物質吸收所造成(如圖一中Lα森林區,就是Lα線被不同距離物質吸收,所呈多重紅移之結果)。當(Z-Zabs)/Z≧0.01,代表是類星體和地球之間許多星系外部的洞區所造成。
此外,在高紅移類星體吸收線中找到低紅移星系(及類星體)之吸收線系統,而在低紅移星系吸收線中找不到高紅移類星體之吸收線,這可說明高紅移星體的確是在低紅移星系(類星體)的後面。
另外,一種很像類星體的怪東西,在1929年被發現並定名為BL蠍虎座天體;它的特徵就是幾乎沒有特徵。光度變化不規則,只有連續光譜,測不到它的譜線(可能太弱了)。因此,它的距離也很難定出。它那屬於非熱性之連續光譜在可見光部份比類星體陡。已發現100個左右。
到底類星體是個什麼樣的天體呢 ?它的外型像恆星,光譜像塞佛特星系,電波性質像電波星系……?當前認定是,它是宇宙在大霹靂后,最先形成的「星系」前身。但無疑的,它是一種非常活躍的天體;如果宇宙紅移理論確實是對的,那類星體對於宇宙將扮演極重大的角色;它代表的是最遠,最古老的宇宙。因此能從側面映整個宇宙的演化。也由於它高度的亮及神秘的吸收線,更是研究宇宙中介物質(介於地球和宇宙邊緣之間)的最佳利器。

8理論假說

定義假說
類星體在類星體發現后的二十餘年時間裡,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:
類星體作為黑洞反面的「白洞」-模型圖

  類星體作為黑洞反面的「白洞」-模型圖

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,其巨大的紅移是由和地球相對運動的多普勒效應引起的。
超新星連環爆炸假說
正反陰陽宇宙及正反粒子-模型圖

  正反陰陽宇宙及正反粒子-模型圖

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。

活動星系核說

類星體是一種光度極高、距離極遠的奇異天體。
類星體
越來越多的證據顯示,類星體實際是一類活動星系核(AGN)。而普遍認可的一種活動星系核模型認為,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,物質掉入黑洞里,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,就能觀測到類星體。
正當星系紅移問題鬧得不可開交的時候,60年代又出現了類星體的紅移現象,使問題變得越發複雜了。根據對類星體物理性質的研究。可以肯定,類星體是河外天體。屬於星系這一層次。既然如此.它們的紅移是不是也像正常星系那樣可以解釋為退行並滿足哈勃定律呢?要直接驗證這一點是困難的,因為至今還沒法求出類星體的距離。對類星體進行統計,結果發現在紅移-視星等圖上,它們的分佈毫無規律,這到底是什麼原因呢?
大多數天文學家堅持認為:類星體的紅移是宇宙紅移,即紅移反映了退行,而且紅移和距離之間存在著哈勃關係。證據是類星體的物理性質與某些活動星系很類似,而活動星系已被證明是滿足哈勃定律的。另外,已發現幾個類星體分別很靠近某個基系團或就在星系團內,而且類星體與星系團的紅移近似相等。還發現某些類星體很靠近一些星系,而類星體和星系的紅移也大致相同。他們認為,類星體在紅移-視星等圖上之所以彌散,是由於類基體的絕對星等彌散太大,而不是因為哈勃定律不成立。
少數天文學家認為類星體紅移不是宇宙學的。對某些類星體和亮星系進行抽樣統計研究,發現有些互相成協(即聯在一起)的星系或成協的星系和類星體彼此之間的紅移量完全不同或相差很大。另外發現有些類星體的光譜中,其吸收線的紅移量與發射線的紅移量互不相同,而且不同的吸收線還有各不相同的紅移量,即多重紅移。而成協天體的不同紅移和同一天體的多重紅移,都是用多普勒效應無法解釋的,必須尋找新的紅移機制。已提出的除了上面講到的引力紅移、光子老化、物理常數變化等紅移機制外,還有一種所謂的「橫向多普勒效應」。類星體的巨大紅移可能說明它的橫向速度很大。
上述這些觀點,有的僅僅是假說,有的雖有理論根據,但並不能很好地解釋類星體的紅移.持非宇宙學紅移觀點的人認為,類星體的紅移是對現代物理學的挑戰。
對星系普遍存在的譜線紅移的觀測和研究.有力地推動了以整個可觀測宇宙的結構、起源和演化為課題的現代宇宙學的迅速發展。星系紅移的真相一旦被揭開,人類對宇宙的認識必將有一個更大的飛躍

9延伸距離

藝術示意圖:劇烈活動的類星體

  藝術示意圖:劇烈活動的類星體

2013年1月自斯隆數字巡天項目的數據,一個國際天文學家小組發現一個創紀錄的類星體集群結構,其延伸超過40億光年。所謂類星體即一類年輕的活動星系。該項研究的第一作者,英國中央蘭開夏大學天文學家羅傑·克洛斯(Roger Clowes)表示:「這項發現很大程度上是一個驚喜,因為它著實突破了我們所知曉的宇宙中最大結構的尺度。」相比之下,我們所在的銀河系直徑不過僅有數十萬光年,而銀河系所處的上一級結構,即室女星系團,其延伸也僅有數億光年而已。
挑戰現有理論
克洛斯表示,天文學家們已經知道類星體可以形成巨大的集群,延伸超過7億光年。然而此次所發現的,由73個類星體組成的超級集群延伸超過90億光年,這一規模讓人吃驚。
天文學家們之所以感到驚愕不已,是因為現有的天體物理學模型似乎限定了宇宙中所存在結構的規模上限是其尺度不應超過12億光年左右。克洛斯表示:「因此這一發現對我們現有的知識構成挑戰,因此我們此次並不是解決了一個問題,而是新發現了一個問題。」
這一巨大的結構被簡單地稱作「大型類星體團」(LQG),其發現同時還顛覆了另外一項基本宇宙學原理,那就是當在大尺度上進行觀察時,宇宙應當是總體均勻的。克洛斯表示:「這可能意味著我們對於宇宙的數學描述過於簡單了,更好的模型或許應當是遠比這更加困難和複雜的。」
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