类星体

　　基本解释

　　类星体是类似恒星天体的简称，又称为似星体、魁霎或类星射电源，与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一道并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。长期以来，它总是让天文学家感到困惑不解。

　　详细解释

　　发现及命名

　　20世纪六十年代，天文学家在茫茫星海中发现了一种奇特的天体，从照片看来如恒星但肯定不是恒星，光谱似行星状星云但又不是星云，发出的射电(即无线电波)如星系又不是星系，因此称它为“类星体[1]”。类星体的发现，与宇宙微波背景辐射、脉冲星、星际分子并列为20世纪60年代天文学四大发现。

　　1960年天文学家们发现了射电源3C 48的光学对应体是一个视星等为16等的恒星状天体，周围有很暗的星云状物质。令人不解的是光谱中有几条完全陌生的谱线。1962年，又发现了在射电源3C 273的位置上有一颗13等的“恒星”。使天文学家同样困惑的是其光谱中的谱线也不寻常。

　　1963年，终于有人认出了3C 273谱线的真面目，原来它们是氢原子的谱线，只不过经历了很大的红移，使得谱线不易证认。循着红移这条线索，再去分析3C 48的光谱，得出它的红移量还要更大。设想红移产生于多普勒效应，那么3C 273和3C 48都有很大的退行速度，分别达光速的1/6和1/3。对于这种在光学照片上的形态像恒星，但是其本质又迥然不同的天体，天文学家把它们命名为类星射电源。进一步的观测和研究揭示了又一类天体，它们的形态也很像恒星，而且也有很大的红移，但是没有射电辐射，被称为射电宁静类星体[2]。

　　类星体的特点

　　类星体的显着特点是具有很大的红移，表示它正以飞快的速度在向我们远离。类星体离我们很远，大约在几十亿光年以外，可能是目前所发现最遥远的天体，天文学家能看到类星体，是因为它们以光、无线电波或x射线的形式发射出巨大的能量。

　　类星体的总结

　　类星体是宇宙中最明亮的天体，它比正常星系亮1000倍。对能量如此大的物体，类星体却不可思议地小。与直径大约为10万光年的星系相比，类星体的直径大约为1 光天(light-day)。一般天文学家相信有可能是物质被牵引到星系中心的超大质量黑洞中，因而释放大量能量(喷发激烈射线)所致。这些遥远的类星体被认为是在早期星系尚未演化至较稳定的阶段时，当物质被导入主星系中心的黑洞增添“燃料”而被“点亮”。

　　由于类星体是一个难解的天体，它奇特的现象如红移之谜，超光速的移动，它的能量来自哪里?它在挑战人类的既有物理观念，它的解决，可能使我们对自然规律的认识向前跨一大步。

　　缘起

　　从1960年起，人们对剑桥第三电波星表中(3C)一些不知意义、模糊的无线电波源，陆陆续续有下列的发现：

　　它们的光学体很小(光学直径<1")，和恒星很难区别：

　　从帕罗马天文台5m望远镜所拍照片中显示,它和恒星一样，都只是一个光点。

　　它们有极亮(非比寻常的亮)的表面：

　　在可见光及无线电波波段都此特性。

　　它们的光谱是连续光谱及强烈的发射谱线：

　　在1962/63年，由 M.Schmidt 测出这和那些已知的电波星系光谱相同。

　　事实上，测得的类星体的光谱主要有三部分：

　　由同步辐射造成的非热性连续光谱;

　　吸积作用造成极明亮的发射谱线;

　　星际介质造成的吸收谱线。

　　它们的光谱呈现巨大的红位移量(位移指数Z=△λ/λ)。

　　因此由哈勃定律推论，它们是极远的蓝色星系，可见光绝对亮度超过一般正常星系的100倍，而电波强度和CygA星系相当。

　　到此阶段的探查，我们将之冠上类星体Quasar之名(或谓类星电波源 Quasistellar Radio Source)。

　　定名

　　1965年 A.Sandage 发现许多类星体，它们的光学性质和类星电波源相同;都有紧密的结构，极亮的表面及蓝的颜色;但它们却没有辐射无线电波(或是太弱了，而没被测到)，因此我们可将它们分为两类：

　　类星电波源QSR's：能用光学及电波段测出，这类比较少，占目前类星体总数的1/20。

　　类星体QSO's(或称电波宁静类星体)：电波较弱，只能以光学测出。

　　今日，我们相信它们代表的是同一种天体，只不过有的电波辐射强度不同;科学家相信，具有强烈电波辐射的类星体可能是类星体「一生」中处于短暂的「发高烧」阶段的产物。因此，称之为类星电波源(quasars)或类星体(quasistellar objects)都可以;有必要时，再注意它有没有辐射电波即可。

　　目前，在可见光及电波波段的天空搜寻中，数千个类星体已被发现;例如 M.P. Veron-Cetty 及 P.Veron(1989)作的星表目录中有4,170个类星体，A.Hewit t和 G.Burbidge(1987)所出星表中3,570个附有红移资料的类星体。

　　历史纪录

　　最近的类星体-3C273(M.Schmidt所发现)：

　　视星等mv=12.8(其余的比16等还暗)，红移z=0.158(相当距离950Mpc.约等于31亿光年远)。

　　最亮的类星体-S50014+81：

　　绝对星等Mv=-33等(mv=16.5);z值为3.14。

　　最大红移指数(相当于最远)的类星体-PKS2000-300：

　　mv=19，z=3.78(记录已被取代，并不断刷新中!)。

　　不过在1986年后，发现越来越多更大红移的类星体，其中约有30个z值超过4的;最近的报告(1990年)指出，PC1247+3406的z值为4.90。值得一提的是，类星体的数目似乎以Z=2左右为分界;红移小于2的随着z值增大，数目也越多，而红移大于2的，分布趋势则相反，z值越大的类星体数目越小。

　　最早发现类星体巨大红移现象的，是 M.Schmidt 在分析3c 273光谱时顿悟的;他感觉那些强烈的发射谱线相对排列顺序与氢原子光谱的几条谱线很相似;不同的只是整个光谱都向红端(长波)移动了一大截。

　　类星体的红移量是如此的巨大，我们不能只是以简单的哈勃定律(距离d与z值成正比)来决定它的距离;而必须以广义相对论为基础的宇宙模式来解释它。

　　与星系的关系

　　类星体的绝对星等Mv在-25-- -33等之间(由哈勃常数Ho=50km/s·Mpc推算)，这可推论出其光度在1012--1014L⊙之间(约4*1038--1041W)，这代表类星体是宇宙最亮的天体;它们是遥远活跃星系的极亮核及塞佛特星系、N星系及电波星系强烈活动的延续。这些的星系的轮廓只有在最近的类星体3C273的光学影像中被辨认出，呈现模糊、扩张、云雾状的斑点;通常星系被比它亮很多的核的光芒所掩过，而呈现类星体的现象。只有到最近，以极灵敏的CCD侦测器及现代影像扩大技术，这才比较有可能测出那些z≦0.5的类星体及和它有关的星系(因z值越小之类星体距离越近，与其有关之母星系才不至于太暗)。减去类星体光度後的星系绝对星等在-21-- -23等之间，是直径40--150kpc的椭圆星系或漩涡星系。观测结果认为有强电波辐射的类星体可能属于椭圆星系，而无电波类星体则属于漩涡星系。

　　此外，在某些类星体中，其分立的子电波源间出现分离的相对速度居然快过光速的超光速运动现象!例如3C273;由巨大天线阵(VLA)从1977年到1980年，以波长2.8cm的无线电波波段观测结果显示，其分立两子电波源间分离速度高达11倍光速。

　　虽然，光速是物体运动速度的极限也是能量传递速度的极限;但这种看似不可思议的超光速现象，在视觉上却有可能造成超光速的现象。例如，在夜晚将探照灯射向高空，由于云层的反射，天空会出现亮点;当地面的探照灯缓慢转动时，在高空的亮点却以极快的速度在移动。如果这云层够高，亮点的速度甚至可以超过光速。以这模型来解释上述类星体中的现象，认为是由类星体中心母体喷出两股相反方向的粒子流(相当于探照灯的光)，它照在星际介质上(相当于高空的云)，从而激起电波辐射(相当于亮点);因此，只要中心母体有小小的摆动，粒子流照射所激起的辐射区就会迅速的移动;如此看来，这两辐射区相离速度超过光速就大有可能了。

　　主要观测特点

　　①类星体在照相底片上具有类似恒星的像，这意味着它们的角直径小于1′。极少数类星体有微弱的星云状包层，如3C48。还有些类星体有喷流状结构。②类星体光谱中有许多强而宽的发射线，包括容许谱线和禁线。最经常出现的是氢、氧、碳、镁等元素的谱线，氦线非常弱或者不出现，这只能用氦的低丰度来解释。现在普遍认为，类星体的发射线产生于一个气体包层，产生的过程与一般的气体星云类似。类星体的发射线很宽，说明气体包层中一定存在猛烈的湍流运动。有些类星体的光谱中有很锐的吸收线，说明产生吸收线的区域里湍流运动的速度很小。③类星体发出很强的紫外辐射，因此，颜色显得很蓝。光学波段连续光谱的能量分布呈幂律谱形式，为辐射强度，v为频率，α为谱指数，常大于零。光学辐射是偏振的，具有非热辐射性质(见热辐射和非热辐射)。另外，类星体的红外辐射也非常强。④类星射电源发出强烈的非热射电辐射。射电结构多数呈双源型，少数呈复杂结构，还有少数是致密的单源，角直径小于0′.001，至今都未能分辨开。致密源的位置通常都与光学源重合。射电辐射的频谱指数α平均为0.75。一般，α>0.4的称陡谱;α<0.4的称平谱。陡谱射电源多数是双源;平谱射电源多数是致密单源，它们的厘米波段辐射特别强。⑤类星体一般都有光变，时标为几年。少数类星体光变很剧烈，时标为几个月或几天。从光变时标可以估计出类星体发出光学辐射的区域的大小(几光日至几光年)。类星射电源的射电辐射也经常变化。观测还发现有几个双源型类星射电源的两子源，以极高的速度向外分离。光学辐射和射电辐射的变化没有周期性。⑥类星体的发射线都有很大红移。迄今为止，观测到的最大红移为3.53(OQ 172)。对于有吸收线的类星体来说，吸收线红移z吸一般小于发射线红移z发。有些类星体有好几组吸收线，分别对应于不同的红移，称为多重红移。例如，类星体PHL 957的发射线红移为2.69，吸收线红移有五组：2.67、2.55、2.54、2.31、2.23。⑦近年来的观测表明，有些类星体还发出X射线辐射。

　　巨大红位移之谜

　　根据同步电子辐射原理推论出，类星体中黑洞质量--108M⊙，所有辐射能(光度)--1039W≒1013L⊙。根据相对论E=m·c2推算其寿命约108年。推算出如此巨大能量之结果，使得一些天文学家质疑：决定距离的基础是否为哈勃红移关系?

　　一般认为红移所代表的可能性有三种：

　　哈勃红移

　　越远的星系红移效应越大;类星体是目前所发现的最远的星系，它可能代表宇宙的边缘或最早的宇宙。

　　引力红移

　　就是从远离强引力场的地方观测，谱线会向长波的方向移动;但需要的引力场极大(约一亿个太阳质量的黑洞)，且造成的谱型与类星体的不符。

　　局部红移

　　认为可能是某些星系高速喷出物质所造成之局部现象(与上述视线之超光速原理相同);支持的证据是，很多星系及类星体常成双或成群出现，而它们之间的红移值截然不同。反对的说法是，也有不少成群协同的类星体、星团和它们的母星系有相同的红移量。

　　其中以支持哈勃红移理论的证据最为有力。

　　寻找红移与星系相近的低红移类星体：

　　以z≦0.5为范围，果然找到很多与椭圆或漩涡星系有关而红移相近的类星体;而高红移星系实在太暗，难以测出，不适用此法。

　　双胞胎类星体的证据：

　　1979年 D.Walsh,R.F.Carswell 和 R.J.Weymann 吃惊的发现类星体QSO0957+561A及B不但距离极近(5.7")，星等同样是17等，z值同为1.41， 甚至完全相同的光谱。令人怀疑他们根本是同一天体，只是被重力透镜影响光线偏折而呈二重像。后来果然在类星体B旁发现一模糊的云雾，测量结果发现它是造成此光学二重像效应z=0.39 的中介星系(介于我们与此类星体之间)。此发现意义极重大，不但印证了爱因斯坦广义相对论中重力透镜的预测，而且证明红移大(z=1.41)之类星体在红移小(z=0.39)星系之后，更支持了哈勃红移的理论。

　　重力透镜造成的光变：

　　当中介星系转动时，由于重力的作用，使其后方类星体的光度发生变化;理论上，我们可从观测到的类星体光变时间及影像空间角度，去推算类星体距离，再去印证哈勃红移所推算之距离是否正确。可惜，在类星体与我们之间常有无数物质，造成引力的多重影响，而不易以此法测出，有待将来进一步的改良观测技术。

　　吸收线的支持：

　　类星体中吸收谱线所测得的Zabs与发射谱线的z值不同，一般是Zabs≦Z;如果发射线z值是代表类星体的位置(距离)，则其吸收线之Zabs则是类星体和我们之间许多的星际间物质吸收所造成(如图一中Lα森林区，就是Lα线被不同距离物质吸收，所呈多重红移之结果)。当(Z-Zabs)/Z≧0.01，代表是类星体和我们之间许多星系外部的洞区所造成。

　　此外，我们在高红移类星体吸收线中找到低红移星系(及类星体)之吸收线系统，而在低红移星系吸收线中找不到高红移类星体之吸收线，这可说明高红移星体的确是在低红移星系(类星体)的後面。

　　另外，一种很像类星体的怪东西，在1929年被发现并定名为BL蝎虎座天体;它的特征就是几乎没有特征。光度变化不规则，只有连续光谱，测不到它的谱线(可能太弱了)。因此，它的距离也很难定出。它那属于非热性之连续光谱在可见光部份比类星体陡。目前已发现100个左右。

　　到底类星体是个什么样的天体呢 ?它的外型像恒星，光谱像塞佛特星系，电波性质像电波星系……?而目前的认定是，它是宇宙在大霹雳后，最先形成的“星系”前身。但无疑的，它是一种非常活跃的天体;如果宇宙红移理论确实是对的，那类星体对於我们宇宙将扮演极重大的角色;它代表的是最远，最古老的宇宙。因此能从侧面映整个宇宙的演化。也由於它高度的亮及神秘的吸收线，更是我们研究宇宙中介物质(介于我们和宇宙边缘之间)的最佳利器。

　　类星体的最新解释

　　类星体是一种光度极高、距离极远的奇异天体。越来越多的证据显示，类星体实际是一类活动星系核(AGN)。而普遍认可的一种活动星系核模型认为，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，就能观测到类星体。

　　宇宙间的-切物质都在运动中。遥远的星系也在运动着，它们都在远离我们而去。例如，室女座星系团正以大约每秒1210公里的速度离开我们，后发座星系团约以每秒6700公里的速度离开我们，武仙座星系团约以每秒l0300公里的速度飞奔而去，而北冕座星系团离开我们的速度更大，大约每秒21600公里。星系为什么要离开我们?我们又是怎么知道它们在运动呢?

　　在生活中我们都有这样的经验：在火车站站台上，一列火车呼啸着向我们奔来，汽笛的声调越来越高，当火车离开我们时，汽笛的声调逐渐降低。这是什么道理呢?1842年，著名的奥地利物理学家多普勒首先阐述了造成这种现象的原因。他指出：声源相对于观测者在运动时，观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大，改变就越显著，后人把它称为“多普勒效应”。

　　多普勒效应不仅适用于声波，而且也适用于光波。一个高速运动的光源发出的光到达我们眼睛时，其波长和频率也发生了变化，也就是说它的颜色会有所改变。虽然天文学家可以利用这一原理测量天体的运动，但是在一般情况下，天体相对于观测者的运动速度与光速相比是微不足道的，因此光源颜色的变化很难测定。

　　星系是巨大的恒星集团，但由于它们离我们非常遥远,每个星系往往只能在大望远镜拍摄的底片上看到一个微弱的光点。第一个观测和测定星系光谱的天文学家是美国洛韦尔天文台的斯里弗。l912—1925年，他拍摄了40个星系的光谱照片，除了两个星系外，其余都呈现波长偏长的多普勒频移，即向光谱的红端位移，所测得的离去速度高得惊人，最高达5700公里/秒。

　　对星系视向速度的研究继续进行着。天文学家发现，星系的谱线位移和恒星的谱线位移很不一样。首先，恒星的谱线位移有红移也有紫移，这反映恒星有的在远离我们，有的在接近我们，而星系的谱线位移绝大多数是红移，紫移的极少。其次，恒星的谱线位移不论是红移还是紫移，一般在每秒数十公里左右，最大的不超过每秒二三百公里，而星系的谱线红移每秒1000公里以下的只占少数，多数是每秒2000～3000公里，有的甚至达到每秒1万公里。

　　1929年，美国天文学家哈勃发现，在宇宙空间不仅几乎所有的星系都具有谱线红移现象，而且还存在着星系的红移量与该星系的距离成正比的关系，也就是说，越远的星系正在以越快的速度飞驰而去，这被称为哈勃定律。

　　有了哈勃定律，天文学家通过观测星系的谱线红移量，求出星系的视向速度，进而得出它们的距离。例如，一个以1700公里/秒的速度远离我们而去的星系，其距离约1亿光年;一个以17000公里/秒的速度远离我们而去的星系，其距离约10亿光年。目前已观测到的最远星系，正以与光速相差无几的速度远离我们而去，其距离达100多亿光年。为什么星系都在离我们而去呢?

　　红移的本质是什么?为什么会存在哈勃定律?这些问题已经争论了半个多世纪了，但一直未能得到圆满的解释，因而成了天文学里的老大难问题。

　　在哈勃定律发表前两年，比利时天文学家勒梅特就提出了宇宙膨胀的概念。1930年，英国天文学家爱丁顿把勒梅特的模型和哈勃定律联系起来，称宇宙为膨胀的宇宙。1932年勒梅特进一步提出现在观测到的宇宙是一个巨大的原始火球爆炸而形成的·到了40年代末，在发现了太阳的巨大能源来自热核反应后，美国物理学家伽英夫把宇宙膨胀论和基本粒子的运动联系起来，提出了热大爆炸宇宙学。他认为宇宙起源于高温、高密度的，“原始火球”的一次大爆炸。在热大爆炸模型提出后的一段时间内，很少有人关心它。直到1965年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊发现了3K微波背景辐射(也称宇宙背景辐射)后，才使大爆炸学说一跃成为最有影响的学说.随着其他研究者的后继测量，宇宙背景辐射已成为大爆炸模型有效性的有力见证，成为考虑宇宙中大足度流动的有用的“绝对框架”，还因其表现的各向同性，成为发表星系形成理论的重要约束。

　　天文学家认为，所谓宇宙大爆炸，并不能想象为高密度高能量的宇宙物质在爆炸后，高速冲向早已存在的空虚的空间之中，如果这样，原爆炸中心将会留下一个逐渐增大的空洞。同时，爆炸时辐射比物质走得快，结果爆炸时发出的所有辐射就会与物质分离。实际上这两种现象都不存在，因此宇宙大爆炸必须想象为空间本身自大爆炸开始以光速膨胀。

　　大爆炸学说比较自然地说明了许多观测现象，而且理论和观测结果比较好地相符。但是也遇到了一些问题，其中最突出的是“原始火球”是从哪里来的?有的天文学家认为：起初宇宙是极其稀薄的气体，由于万有引力的作用，逐渐收缩成一团超密物质。然后再爆炸，经过膨胀阶段，而重新归于稀薄，稀薄得简直和绝对真空相差无儿。我们恰巧生活在宇宙比较饱满的这个非常短暂的时期中。自然，以后还可以再收缩，再爆炸，再膨胀。1965年，美国天文学家桑得奇甚至估计这种“脉动宇宙”每振荡一次大约需要800多亿年。这种理论是现实，还是“神话”，目前还不能轻易下结论。

　　另外一些天文学家，他们不认为星系谱线红移是由它们的退行速度引起的，因此也就不存在宇宙膨胀的问题。然而，要在多普勒效应之外，再找出红移的另一种解释，实在太困难了，至少从目前看来是这样。

　　有一种解释认为：，发出光谱的天体因本身的物理状态不同而产生红移。例如由于星系那里引力特别大，因此发出的光谱中红移特别大，这叫做引力红移。引力红移是广义相对论的预言之一。根据广义相对论，当一个观察者从远离引力场的地方，观测处在引力场中的辐射源发射出来的光的时候，谱线会向长波方向移动，移动量与辐射源和观测者两处引力势差的大小成正比。这种效应最初是在白矮星中得到证实的。但根据引力理论计算的结果来看，引力对红移的影响很小，不足以说明观测到的星系红移现象。

　　另一种解释则认为光线与传播途中物质相互作用产生红移。光线由星系发出之后，要经过若干万光年才能到达地球，光在长途传播中要穿透许多星系际介质区域，光和介质发生了某种相互作用，使光谱产生红移。星系越远，途中遇到.的介质就越多，因而红移也就越大，但光与介质相遇如何相互作用而产生红移，还没有令人满意的解释。

　　还有一种解释是光线本身变化而产生红移。光线在几千万年的传播之中，光子发生了老化，波长变长而出现了红移，由此推断越远的星系光线走得越久，所以看到的红移也越大。这一假说没有得到实验的证实。

　　正当星系红移问题闹得不可开交的时候，60年代又出现了类星体的红移现象，使问题变得越发复杂了。根据对类星体物理性质的研究。可以肯定，类星体是河外天体。属于星系这一层次。既然如此.它们的红移是不是也像正常星系那样可以解释为退行并满足哈勃定律呢?要直接验证这一点是困难的，因为至今还没法求出类星体的距离。对类星体进行统计，结果发现在红移—视星等图上，它们的分布毫无规律，这到底是什么原因呢?

　　大多数天文学家坚持认为：类星体的红移是宇宙红移，即红移反映了退行，而且红移和距离之间存在着哈勃关系。证据是类星体的物理性质与某些活动星系很类似，而活动星系已被证明是满足哈勃定律的。另外，已发现几个类星体分别很靠近某个基系团或就在星系团内，而且类星体与星系团的红移近似相等。还发现某些类星体很靠近一些星系，而类星体和星系的红移也大致相同。他们认为，类星体在红移—视星等图上之所以弥散，是由于类基体的绝对星等弥散太大，而不是因为哈勃定律不成立。

　　少数天文学家认为类星体红移不是宇宙学的。对某些类星体和亮星系进行抽样统计研究，发现有些互相成协(即联在一起)的星系或成协的星系和类星体彼此之间的红移量完全不同或相差很大。另外发现有些类星体的光谱中，其吸收线的红移量与发射线的红移量互不相同，而且不同的吸收线还有各不相同的红移量，即多重红移。而成协天体的不同红移和同一天体的多重红移，都是用多普勒效应无法解释的，必须寻找新的红移机制。已提出的除了上面讲到的引力红移、光子老化、物理常数变化等红移机制外，还有一种所谓的“横向多普勒效应”。类星体的巨大红移可能说明它的横向速度很大。

　　上述这些观点，有的仅仅是假说，有的虽有理论根据，但并不能很好地解释类星体的红移.持非宇宙学红移观点的人认为，类量体的红移是对现代物理学的挑战。

　　对星系普遍存在的谱线红移的观测和研究.有力地推动了以整个可观测宇宙的结构、起源和演化为课题的现代宇宙学的迅速发展。星系红移的真相一旦被揭开，人类对宇宙的认识必将有一个更大的飞跃