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类星体

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类星体类星体,又称为似星体、魁霎或类星射电源,与脉冲星微波背景辐射星际有机分子一道并称为1960年代天文学“四大发现”。

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发现过程编辑本段回目录

类星体的光度很强,科学家可观测到遥远宇宙边缘类

1979年拍摄的3C273类星体。它的光度很强,科学家
可观测到遥远宇宙边缘类星体所释放的光芒。它们的
大小不到1光年,而光度却比直径约为10万光年的巨
星系还大1000倍!因此被称为"宇宙灯塔"

诞生于20世纪30年代的射电天文观测技术,具有比光学观测手段更高的分辨率、更大的观测范围。天文学家利用它对深空中的射电源进行研究,并发现射电信号主要是由湍动的气体产生的。部分射电源基本可以被认为来自含有这类气体的天体,如星云超新星遗迹、远星系等。

然而,有些射电源看上去异乎寻常的小,难以归入此类,被称为射电致密源。随着射电望远镜越来越精密,对射电致密源的观测也越来越清晰,人们开始发现,射电辐射也可能是由单个恒星发射出来的。在英国天文学家M•赖尔及其同事编制的“剑桥第三射电星表”(3C)中,就有几个明显的射电致密源,如3C48、3C147、3C196、3C273和3C286。1960年,美国天文学家桑德奇利用5米口径的望远镜,对这几个射电致密源所在的天区进行了仔细搜寻,发现每个区域中都有一颗恒星——至少在照相底片上,它们看起来与恒星很相似——好像就是射电源的光学对应体。被探测到的第一颗这类恒星是与3C48射电源相关的恒星。分光探测表明,它的光谱中有许多陌生的强而宽的发射线,看不出这些谱线对应何种元素,此事令天文学界大为困惑。

1963年,射电源3C273的光学对应体被确认,它是一个与13星等的恒星类似的天体,其光谱与3C48很相似,同样难以辩认。荷兰天文学家M•施米特对3C273进行了仔细研究,发现其光谱的6条谱线中有4条的排列方式与光谱十分类似,但离氢谱线应该存在的位置太远。

施米特大胆地判断,这些奇怪的谱线并非对应某种未知元素,它就是最普通的氢元素的发射线,只不过红移得很厉害。根据计算,3C273光谱的红移程度为0.158,即波长宽了15.8%。虽然这么大的红移表示该天体退行速度大得有些难以想象,但它可以很好地把3C273的6条谱线解释为氢、氧、镁的光谱,所以人们很快就接受了这种说法。至此,困扰天文学界三年之久的谜被揭开了。随后,3C48的谱线也得到了确认,它的红移更大,达到0.367——这也难怪人们早先不敢认了。此后发现的其它同类天体光谱也是如此,只要假设存在巨大红移,便可轻易地解释其谱线对应何种元素。


这些有关的天体以前早就被人们以光学手段记录下来,并被认为是银河系中普通的暗弱恒星,实际上它们是强射电源。详细的拍照研究表明,射电致密源虽然在照相底片上看起来很像恒星,但终归不是普通的恒星。天文学家把它们命名为"Quasar",即英文“类恒星射电源”的缩写。

此后,又发现了一些光学性质与3C48、3C273相似的天体,但它们并不发出射电辐射,这类天体被称为蓝星体。类恒星射电源和蓝星体被归为一类,英文名称仍为Quasar,但含义扩大为“类似恒星的天体”,简称“类星体”。这个名字虽有些拗口,却很快就被天文学界接受了。

特性编辑本段回目录

目前所知最远的类星体,约150亿光年。
目前所知最远的类星体,约150亿光年。
类星体是20世纪60年代最重要的天文发现,引起了一阵观测类星体的热潮。60年代末期,在一次大规模集中搜寻中,就发现了150个类星体。到70年代末,已观测到的类星体就超过了1000个,其中约1/3为类恒星射电源。据估计,我们能够观测到的类星体至少数以万计。迄今,人们虽仍未弄清楚类星体真正的身份,对其热衷程度却未减,哈勃望远镜等重要的当代天文设备,都以观测类星体为其重要任务之一。

总结起来,类星体大致有如下特点:

1、类星体在照相底片上呈现类似恒星的像,即星状的小点,这表示它们的体积较小。极少数类星体被暗弱的星云状物质所包围,如3C48;另有些类星体会喷射出小股的物质流,例如3C273。

2、类星体光谱中有许多强而宽的发射线,最常出现的是氢、等元素的谱线。氦线一般非常弱或者没有,这表明类星体中氦元素含量很少。现在一般认为,类星体光谱的发射线产生于一个气体包层,产生的过程与普通的气体星云类似。光谱发射线很宽,说明气体包层中一定存在强烈的湍流运动。有些类星体的光谱是有很锐的吸收线,说明产生吸收线的区域内湍流运动速度很小。

3、类星体发出很强的紫外辐射,因此颜色显得很蓝(这也是为什么非射电源类星体被称为蓝星体)。光学波段的辐射是偏振的,具有非热辐射的特性。此外,类星体的红外辐射也非常强。

4、类恒星射电源发出强烈的非热射电辐射。射电结构一般呈双源型,少数呈复杂结构,也有少数是非常致密的单源型。致密单源的位置基本与光学源重合。

5、类星体一般都有光变。大部分类星体的光度都在几年里发生明显变化,也有少数类星体的光变非常剧烈,在几个月甚至几天里光度变化就很大。类星射电源的射电辐射也经常发生变化。光学辐射和射电辐射的变化并无明显周期性。

6、类星体光谱的发射线都有巨大的红移。红移最大的类星体,发射谱线波长能够扩大好几倍。对于有吸收线的类星体,吸收线的红移程度一般小于发射线的红移。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。

7、一些类星体还发出很强的X射线。

能量从何而来编辑本段回目录

这是一张哈勃望远镜拍摄到的第一张遥远类星体在重力透镜过程中形成的五重成像,画有蓝色圆圈的是同一个类星体在重力透镜作用下呈现的五个影像.画有黄色圆圈的是与一年前该星系群图片比较发现的一颗超新星.红色圆圈所表示的是同一背景星系的三个完全不同的影像,该背景星系大约距离我们120亿光年.

这是一张哈勃望远镜拍摄到的第一张遥远类星体在重
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圆圈的是与一年前该星系群图片比较发现的一颗超新
星.红色圆圈所表示的是同一背景星系的三个完全不同
的影像,该背景星系大约距离我们120亿光年.

既然类星体距离遥远的说法较为通行,那我们就以此为基础猜测一下它是什么东西。如果类星体的红移是宇宙学红移,则一个类星体的辐射量,约相当于100亿个太阳核聚变产生的总辐射量。这样大的能量到底是从哪里产生的?类星体到底是什么?

对于类星体的本质,最可能的答案要追溯到1943年,当时美国天文学家赛弗特观测到一个奇怪的星系,它有一个非常亮要非常小的核。后来又陆续观测到了几个同类型的星系,总称为赛弗特星系。据认为,宇宙中可能有1%的星系属于赛弗特星系。

赛弗特星系会不会是介于普通星系与类星体之间的天体呢?它们明亮的中心呈现的亮度变化,使其中心看起来和类星体颇为相像。如果其中心亮度进一步增强,而外围部分进一步暗弱,它与类星体就难以区别了。事实上,有一个编号3C120的赛弗特星系看起来几乎就是一个类星体。

此外,赛弗特星系只有中等的红移,而且并不十分遥远。类星体会不会是非常遥远的赛弗特星系?它们远得使我们只能看到其小而亮的中心,而且只能看到这类星系中最亮的,从而得出了类星体格外明亮的印象。反过来,是否可以推测,类星体尽管非常遥远,但仍是我们能够看到的非常大的赛弗特星系?星系中心与类星体确有许多相似之处:体积很小;光谱中有很强的发射线;发出从射电波段到X射线波段的非热辐射;经常有光变和爆发现象等。一些新拍得的照片表明,类星体周围确实有雾状物质的迹象,似乎表明是一个暗弱星系包围着小而活跃并且非常明亮的中心。因此我们可以假设,在距离我们10亿光年以外的宇宙深处,像我们邻近区域一样充满着星系。然而这些星系大多暗弱得用光学的方法分辨不出来,我们只能看到那些最大、最活跃星系的明亮中心。

在类星体的星系模型中,能量可能来自于恒星间的碰撞。星系核心里恒星密度极高,经常发生碰撞,从而释放能量。而且恒星在碰撞中会粘合在一起成为越来越大的恒星,大质量恒星迅速演化为超新星,然后爆发,释放高能电子。这一模式的缺点在于,如果要恒星发生如此密集的碰撞,则类星体内部恒星数密度,应当高达我们附近空间里恒星数密度的1万亿倍。

还有理论认为,类星体是质量约为太阳1亿倍的大质量恒星,它的光度可能达到我们观测到的类星体的光度。但这种大质量恒星释放出的辐射应当具有热辐射的性质,而不是像类星体那样放出非热辐射;此外,这样大质量的恒星也很不稳定。

其它有代表性的理论包括:

1、类星体是巨型的脉冲星(中子星)。有一个与强磁场相连的、迅速自转的超大的核。这种星体比较稳定,光度也很高。同时,由于自转,磁力线不时地会扭结,产生能量爆发,这可以用来解释类星体的光变。但这种模式里的光变应该是周期性的,而观测到的类星体光变并不具备周期性。

2、类星体的能量来自星系核里正在吞噬物质的黑洞。黑洞的巨大引力具有一个临界区域,进入这一区域后,包括光在内的一切物质都无法逃逸。而在这个区域之外,黑洞引力虽大,但并非所有物质都无法逃脱。气体、尘埃和恒星在高速旋转着被吸进黑洞时,在运动中产生的强烈辐射会挣脱黑洞引力而向周围扩散,这些辐射包括可见光、红外线紫外线及其它射线。

最大黑洞位于OJ287类星体中,质量为太阳180亿倍
最大黑洞位于OJ287类星体中,质量为太阳180亿倍
英国天文学家A•费边教授1999年还提出,对目前观测到的宇宙背景辐射资料进行分析可以发现,这些射线的来源无法完全用恒星或普通亮度的类星体等天体来解释。他认为,宇宙中可能还存在着大量没有发现的暗类星体,这些类星体中包含黑洞,这些黑洞可能是宇宙中各类辐射的重要来源。由于利用现有手段难以被观测到,这些黑洞周围所产生的巨大能量远远没有得到充分认识。

在暗类星体中,黑洞吞噬物质产生能量的机制与亮类星体是一样的,但产生的可见光和紫外线在试图从黑洞区域逃逸时,会被暗类星体中的尘埃和气体等吸收,被吸收的辐射会再以远红外线的形式重新发散。这部分远红外线和来自黑洞区域的其它射线具有穿透气体和尘埃的能力。目前的射线观测设备无法探测到上述来自黑洞区域的射线,而现有的远红外望远镜也无法发现在黑洞周围重新发散出的远红外线。美国宇航局的钱德拉射线望远镜、欧洲航天局的多镜头射线天文卫星(MM卫星)等新型观测设备,有可能探测到这些射线。 

3、类星体能量来自于物质与反物质的湮灭。反物质概念是英国物理学家保罗•狄拉克最早提出的。他在30年代预言,每一种粒子都应该有一个与之相对的反粒子,例如反电子,其质量与电子完全相同,而携带的电荷正好相反。根据大爆炸理论,宇宙诞生之初,应产生了等量的物质与反物质。可能由于某种原因,大部分反物质都转化为了物质,或者难于被观测到,导致在我们看来这个世界主要由物质组成。据认为,类星体产生于宇宙诞生早期,其内部还存在着一些反物质。物质与反物质之间剧烈湮灭,释放出巨大能量。物理学家已经发现了少量的反电子等粒子,但并未发现复杂反物质存在的确凿证据。因而上述说法看起来根基不牢。

4、类星体是作为黑洞反面的“白洞”。与黑洞类似,白洞也有一个封闭的边界,聚集在白洞内部的物质,只可经边界向外运动,而不能反向运动。因此白洞可以向外部区域提供物质和能量,而不能吸收外部区域的任何物质和辐射。当白洞中心附近所聚集的超密态物质向外喷射时,就会与周围的物质发生猛烈碰撞,从而释放出巨大能量,这有可能就是类星体能量的来源。与反物质一样,白洞也只是一种理论模型,尚未被观测所证实,因而此说法也不具备说服力。

 

参考编辑本段回目录

http://www.cpus.gov.cn/ZLG/yuzhou/b25.htm
http://free.21cn.com/forum/bbsMessageList.act?currentPage=1&bbsThreadId=1552826
http://discover.news.163.com/08/0410/09/495JSTKF000125LI.html

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