27.1: 类星体
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述类星体是如何被发现的
- 解释一下天文学家是如何确定类星体处于红移所暗示的距离的
- 证明类星体产生的巨大能量是在非常小的空间中产生的说法是合理的
“类星体” 这个名字最初是 “准恒星无线电源” 的缩写（这里的 “准恒星” 的意思是 “有点像恒星”）。 20 世纪 50 年代第二次世界大战剩余雷达设备的使用，发现了看起来像星星一样的点状无线电源。 尽管很少有天文学家能预料到这一点，但事实证明，天空中充满了强大的无线电波源。 随着他们改进新的射电望远镜可以拍摄的图像，科学家们发现一些无线电源与微弱的蓝色 “恒星” 位于同一位置。 我们的银河系中没有一种已知类型的恒星会发出如此强大的无线电辐射。 那么，这些 “准恒星无线电源” 是什么？
Redshifts：类星体的钥匙
当天文学家获得其中两颗微弱的 “蓝星” 的可见光谱时，答案就来了，这两颗微弱的 “蓝星” 是无线电波的强大来源（图\(\PageIndex{1}\)）。 这些无线电 “恒星” 的光谱只会加深神秘感：它们有发射线，但天文学家起初无法用任何已知物质识别它们。 到1960年代，天文学家在识别恒星光谱中的元素和化合物方面已经有一个世纪的经验了。 已经发布了详尽的表格，显示了每个元素在各种条件下将产生的线条。 普通可见光谱中线条无法辨认的 “恒星” 必须是全新的东西。
1963 年，在加州理工学院的帕洛玛天文台，Maarten Schmidt（图\(\PageIndex{3}\)）对其中一颗无线电星的频谱感到困惑，它之所以被命名为 3C 273，是因为它是剑桥第三个无线电源目录（图\(\PageIndex{3}\)（b）部分）中的第 273 个条目。 光谱中有很强的发射线，施密特意识到它们之间的间距与巴尔默氢气线之间的间距相同（参见《辐射与光谱》）。 但是 3C 273 中的线被远移到了 Balmer 线通常所在波长的红色。 事实上，这些线的波长如此之长，以至于如果红移归因于多普勒效应，那么 3C 273 将以每秒 45,000 千米的速度从我们身上消失，大约是光速的 15%！ 由于恒星没有显示出这么大的多普勒偏移，所以没有人想到过高红移是奇怪光谱的原因。
然后重新检查了其他类星形无线电源中令人费解的发射线，看看它们是否也可能是红移较大的众所周知的线路。 事实证明是这样，但发现其他物体正在以更快的速度从我们身边消失。 它们惊人的速度表明，无线电 “星星” 不可能成为我们自己的银河系中的恒星。 任何以每秒超过几百公里的速度移动的真正恒星都能够克服银河系的引力并完全逃离银河系。 （正如我们将在本章后面看到的那样，天文学家最终发现这些 “恒星” 还有更多的东西，而不仅仅是一个光点。）
事实证明，这些高速物体之所以看起来像恒星，是因为它们很紧凑而且很远。 后来，天文学家发现了具有较大红移的天体，这些天体看起来像恒星但没有无线电发射。 观测结果还表明，类星体在红外和X射线波段中也是明亮的，在光谱的无线电波段或可见光波段中，并非所有这些X射线或红外亮类星体都能看到。 如今，所有这些物体都被称为准恒星物体（QSO），或者更广为人知的类星体。 （家用电子产品制造商也很快使用了这个名字。）
现在已经发现了超过一百万个类星体，超过十万个类星体的光谱可用。 所有这些光谱都显示红移，没有一个显示蓝移，而且它们的红移可能非常大。 然而在照片中，它们看起来就像星星（图\(\PageIndex{3}\)）。
在创纪录的类星体中，第一条莱曼系列氢气线在光谱的紫外线部分的实验室波长为121.5纳米，一直通过可见区域向红外移动。 在如此高的红移下，必须修改将多普勒偏移转换为速度（辐射和光谱）的简单公式，以考虑到相对论的影响。 如果我们应用多普勒移位公式的相对论形式，我们会发现这些红移对应于大约光速的96％的速度。
示例\(\PageIndex{1}\)：类星体的衰退速度
天文学家用字母表示的多普勒偏移的公\(z\)式是
\[z= \frac{ \Delta \lambda}{\lambda} = \frac{v}{c} \nonumber\]
其中\(\lambda\)是未移动的辐射源发出的波长，\(\Delta \lambda\)是该波长和我们测量的波长之间的差异，\(v\)是光源移开的速度，\(c\)（像往常一样）是光速。
当光源处于静止状态时，星系光谱中的一条线的波长为393纳米（nm，或10 —9 m）。 假设测得的直线比这个值（红移）长 7.86 nm。 然后是红移\(z= \frac{7.86 \text{ nm}}{393 \text{ nm}} = 0.02\)，所以它离我们的速度是光速的2％\( \left( \frac{v}{c}=0.02 \right)\)。
这个公式对于相对较近且在宇宙扩张过程中正在缓慢远离我们的星系来说是不错的。 但是我们在本章中讨论的类星体和遥远的星系正在以接近光速的速度移开。 在这种情况下，将多普勒偏移（redshift）转换为距离必须包括狭义相对论的影响，狭义相对论解释了当我们看到事物高速移动时，空间和时间的测量值是如何变化的。 如何做到这一点的细节远远超出了本文的范围，但我们可以与大家分享多普勒移位的相对论公式：
\[ \frac{v}{c} =\frac{(z+1)^2−1}{(z+1)^2+1} \nonumber\]
让我们举个例子。 假设一个遥远的类星体的红移为 5。 类星体以光速的多大比例移开？
解决方案
我们计算以下内容：
\[ \frac{v}{c} =\frac{(5+1)^2−1}{(5+1)^2+1} = \frac{36−1}{36+1} = \frac{35}{37} =0.946 \nonumber\]
因此，类星体正在以大约光速的95％从我们身上消失。
练习\(\PageIndex{1}\)
可见光谱中的几条氢吸收线的静止波长分别为 410 nm、434 nm、486 nm 和 656 nm。 在遥远星系的光谱中，观察到这些相同的线条的波长分别为492 nm、521 nm、583 nm和787 nm。 这个星系的红移是什么？ 这个星系的衰退速度是多少？
- 回答
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因为这是同一个星系，所以我们可以选择四个波长中的任何一个波长并计算它已经偏移了多少。 如果我们使用 410 nm 的静止波长并将其与 492 nm 的移位波长进行比较，我们就会看到
\[ z = \frac{ \Delta \lambda}{\lambda} =\frac{(492 \text{ nm} − 410 \text{ nm})}{410 \text{ nm}} = \frac{82 \text{ nm}}{410 \text{ nm}} =0.20 \nonumber\]
在经典观点中，这个星系正在以光速的20％消退；但是，在光速的20％下，相对论效应开始变得重要。 因此，使用相对论的多普勒方程，我们将真实的衰退率计算为
\[ \frac{v}{c} = \frac{ (z+1)^2−1}{(z+1)^2+1} = \frac{(0.2+1)^2−1}{(0.2+1)^2+1} = \frac{1.44−1}{1.44+1} = \frac{0.44}{2.44} = 0.18 \nonumber\]
因此，实际衰退速度仅为光速的18％。 虽然这最初看起来可能与传统测量没有太大区别，但经典解和相对论解之间已经存在11％的偏差；在更快的衰退速度下，经典和相对论速度之间的差异会迅速增加！
类星体遵守哈勃定律
天文学家问的第一个问题是类星体是否遵守哈勃定律，是否真的处于红移所暗示的很远的距离。 如果他们不遵守大红移意味着远距离的规则，那么他们可能会更近，亮度可能会低很多。 证明类星体必须遵守哈勃定律的一种直截了当的方法是证明它们实际上是星系的一部分，并且它们的红移与托管它们的星系相同。 由于普通星系确实遵守哈勃定律，因此其中的任何事物都将遵守相同的规则。
哈勃太空望远镜的观测提供了最有力的证据，表明类星体位于星系的中心。 地面望远镜暗示这是事实，但需要进行太空观测才能提出令人信服的理由。 原因是类星体可以比整个星系高出10到100倍甚至更多。 当这种光线穿过地球大气层时，它会被湍流模糊起来，淹没来自周围星系的微弱光线，就像夜间迎面驶来的汽车发出的明亮大灯使人们很难看见附近的任何东西一样。
但是，哈勃太空望远镜不受大气湍流的影响，可以探测一些宿主类星系的微弱光芒（图\(\PageIndex{4}\)）。 在螺旋星系和椭圆星系的核心中都发现了类星体，每个类星体的红移与其宿主星系相同。 现在，使用哈勃太空望远镜进行的大量研究清楚地表明，类星体确实很遥远。 如果是这样，它们必须产生真正令人印象深刻的能量，才能被探测为比银河系亮得多的光点。 有趣的是，许多类星体宿主星系被发现与第二个星系发生碰撞，正如我们将看到的那样，这为其巨大能量输出来源提供了重要线索。
能量源的大小
鉴于类星体的距离很远，它们必须非常发光才能被我们看见，比任何普通星系都要亮得多。 仅在可见光下，大多数星系的能量远高于最亮的椭圆星系。 但是，正如我们所看到的，类星体也以X射线和紫外线波长发射能量，有些也是无线电源。 当它们的所有辐射加在一起时，一些 QSO 的总亮度高达一百万亿个太阳 (\(10^{14}\)\(L_{\text{Sun}}\))，是发光的椭圆星系亮度的 10 到 100 倍。
在任何情况下，都很难找到产生类星体发射的大量能量的机制。 但是还有一个问题。 当天文学家开始仔细监测类星体时，他们发现有些类星体的亮度在几个月、几周甚至几天的时间尺度上有所不同。 这种变化是不规则的，可以使类星体的可见光和无线电输出亮度变化几百分之十。
想想这种亮度的变化意味着什么。 最暗的类星体仍然比任何普通星系都更明亮。 现在想象一下，亮度在几周内增加了30％。 无论负责什么机制，都必须能够以错开我们想象力的速度释放新能量。 类星体亮度最显著的变化相当于10万亿个太阳释放的能量。 为了产生这么多的能量，我们必须每分钟将大约十个地球的总质量转化为能量。
此外，由于波动发生在如此短的时间内，因此类星体中变化的部分必须小于光在变化发生所花费的时间（通常为几个月）内的传播距离。 要了解为什么会这样，让我们考虑一下直径为 10 光年、距离地球很远的恒星群（参见图\(\PageIndex{5}\)，其中地球向右）。 假设这个星团中的每颗恒星都会以某种方式同时变亮并保持亮度。 当这个事件发出的光到达地球时，我们将首先看到来自近侧恒星的更亮的光；5 年后，我们将看到来自中心恒星的光线增加。 十年过去了，我们才能从远处探测到更多来自恒星的光。
尽管星团中的所有恒星同时变亮，但星团的宽度为10光年这一事实意味着必须经过10年才能使来自星团各个部分的增加的光线到达我们。 随着越来越多的恒星发出的光开始到达我们，我们会从地球上看到星团变得越来越亮。 直到亮化开始 10 年后，我们才会看到星团达到最大亮度。 换句话说，如果延伸的物体突然发光，它似乎会在一段时间内变亮，这段时间等于光线从远处穿过物体所花费的时间。
我们可以将这个想法应用于类星体的亮度变化来估计它们的直径。 由于类星体通常会在几个月的时间内变化（变得更亮更暗），因此产生能量的区域不能超过几个光月。 如果它更大，那么来自远方的光线需要超过几个月的时间才能到达我们。
几个光月的区域有多大？ 冥王星通常是我们太阳系中最外层（矮人）的行星，距离我们大约5.5光小时，而最近的恒星距离我们4光年。 显然，相对于整个银河系的大小，几光月之内的区域很小。 而且有些类星体的变化更快，这意味着它们的能量是在更小的区域产生的。 无论什么机制为类星体提供动力，都必须能够在空间中产生比整个星系产生的能量更多的能量，在某些情况下，空间体积并不比我们的太阳系大很多。
早期的证据
甚至在发现类星体之前，就有迹象表明，至少一些星系的中心正在发生一些非常奇怪的事情。 早在1918年，美国天文学家希伯·柯蒂斯就使用大型里克天文台望远镜拍摄了处女座星座中的梅西耶87星系。 在那张照片上，他看到了我们现在所说的来自银河系中心或原子核的喷气式飞机（图\(\PageIndex{6}\)）。 这架喷气式飞机从字面上和形象上都指出了那个星系核中正在发生的一些奇怪活动。 但是他不知道那是什么。 也没有人知道如何处理这个太空怪的东西。
这种中央喷气机存在的随机事实已经存在了四分之一世纪，直到同样位于加利福尼亚的威尔逊山天文台的年轻天文学家卡尔·塞弗特发现了六个星系的原子核非常明亮，它们几乎是恒星，而不是像大多数星系核那样外观模糊。 通过光谱学，他发现这些原子核含有以高达光速2％的速度移动的气体。 这听起来可能不多，但它每小时600万英里，比星系中恒星的典型运动快10倍以上。
经过数十年的研究，天文学家发现了银河系之外的许多其他奇怪物体；它们居住在现在所谓的活跃星系或活跃银河核（AGN）的整个 “动物园” 中。 天文学家最初用许多不同的名字来称呼它们，这取决于发现每个类别的观测结果的类型，但现在我们知道我们一直在研究相同的基本机制。 所有这些星系的共同点是其原子核中的某些活动在非常小的空间中产生大量能量。 在下一节中，我们将介绍一个模型，该模型解释了所有这些具有强中心活性的星系——包括AGN和QSO。
要亲自观看喷气式飞机，请观看从 NGC 3862 弹出的喷气式飞机的延时视频。
摘要
发现的第一批类星体看起来像恒星，但具有很强的无线电发射。 起初它们的可见光谱似乎令人困惑，但后来天文学家意识到它们的红移比恒星大得多。 到目前为止获得的类星体光谱显示，红移范围从光速的15％到96％以上。 哈勃太空望远镜的观测表明，类星体位于星系的中心，螺旋和椭圆都可以藏有类星体。 底层星系的红移与嵌入在其中心的类星体的红移相匹配，从而证明类星体遵守哈勃定律，并且距离其红移所暗示的很远距离。 为了在如此远的距离内引人注目，类星体的亮度必须是较亮的普通星系的10到100倍。 它们的变化表明，这种巨大的能量输出是在小体积内产生的，在某些情况下，是在一个不比我们自己的太阳系大得多的区域。 许多离我们较近的星系在其中心也表现出强烈的活动——现在已知活动是由与类星体相同的机制引起的。
词汇表
- 类星体
- 红移非常高的物体，看起来像恒星，但银河系外且发光度高；也称为准恒星物体或 QSO
- 活性银河核 (AGN)
- 几乎与类星体一样发光并具有许多属性的星系，尽管程度不那么引人注目；它们的中心会产生异常的能量
- 活跃星系
- 容纳活跃银河核的星系