27.E：活跃星系、类星体和超大质量黑洞（练习）

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为了进一步探索

文章

Bartusiak，M. “核心中的野兽。” 天文学（1998 年 7 月）：42。在星系中心的超大质量黑洞上。

迪士尼，M. “类星体的全新面貌。” 《科学美国人》（1998年6月）：52。

Djorgovski，S. “宇宙黎明时分开火。” 天文学（1995 年 9 月）：36。关于类星体以及我们可以从中学到什么。

福特、H. 和 Z Tsvetanov。“星系之心有巨大的黑洞。” 天空与望远镜（1996年6月）：28。概述不错。

Irion，R. “每个星系中都有类星体？” 天空与望远镜（2006 年 7 月）：40。讨论为星系中心提供动力的超大质量黑洞可能比想象的更为普遍。

Kormendy，J. “为什么会有这么多黑洞？” 天文学（2016 年 8 月）：26。讨论为什么超大质量黑洞在宇宙中如此常见。

Kruesi，L. “宇宙中最亮物体的秘密。” 天文学（2013年7月）：24。回顾一下我们目前对类星体的理解，以及它们如何帮助我们了解黑洞。

Miller、M. 等。 “超大质量黑洞：塑造周围环境。” 天空与望远镜（2005 年 4 月）：42。来自黑洞磁盘的喷气机。

Nadis，S. “探索银河系——黑洞连接。” 天文学（2010 年 5 月）：28。概述。

Nadis，S. “这里、那里、无处不在。” 天文学（2001 年 2 月）：34。在哈勃的观测中，超大质量黑洞在星系中很常见。

Nadis，S. “凝视着怪物银河系。” 天文学（2014 年 5 月）：24。 X射线观测告诉我们有关为活跃星系M87提供动力的机制的信息。

奥尔森，S. “黑洞猎人。” 天文学（1999 年 5 月）：48。描述了四位在活跃星系中心寻找 “饥饿” 黑洞的天文学家。

彼得森，B. “解开类星体拼图。” 天空与望远镜（2013年9月）：24。一篇评论文章讲述了我们如何发现黑洞是类星体的能量来源，以及我们今天如何看待它们。

Tucker、W. 等。 “黑洞反冲。” 《科学美国人》（2007 年 3 月）：42。超大质量黑洞如何在星际介质中产生巨大的气泡。

Voit，G. “类星体的兴亡。” 《天空与望远镜》（1999 年 5 月）：40。很好地概述了类星体如何融入宇宙历史。

Wanjek，C. “黑洞如何帮助建造宇宙。” 天空与望远镜（2007 年 1 月）：42。关于超大质量黑洞周围圆盘的能量和流出；不错的介绍。

网站

银河核中的怪物：http://chandra.as.utexas.edu/stardate.html。来自《星际时代》杂志的约翰·科门迪撰写的一篇关于超大质量黑洞的文章。

类星体天文学四十年过去了：http://www.astr.ua.edu/keel/agn/quasar40.html。威廉·基尔在 2003 年发表的一篇热门文章。

类星体和活跃银河核：www.astr.ua.edu/keel/agn/。一个带注释的图像库，展示了星系中的各种活动。还有简介、词汇表和背景信息。同样由威廉·基尔创作。

类星体：“神奇之光”：http://hubblesite.org/newscenter/arc...35/background/。这份来自HubbleSite新闻办公室的简短的 “背景资料” 讲述了发现和理解类星体的历史。

视频

活跃星系：https://www.youtube.com/watch?v=Y_HgsFmwCeg。《天文学：观测与理论》系列的一部分；半小时的类星体和相关物体简介（27:28）。

黑洞混乱：宇宙中最超大质量的黑洞的环境：https://www.youtube.com/watch?v=hzSgU-3d8QY。 2013年5月天体物理学中心的贝琳达·威尔克斯博士和弗朗西斯卡·西瓦诺博士在 CfA 天文台之夜系列讲座中发表演讲（50:14）。

哈勃和黑洞：http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast43a/。 Hubblecast 在黑洞和活跃的银河核上播出 (9:10)。

怪物黑洞：https://www.youtube.com/watch?v=LN9oYjNKBm8。 2013年5月加州大学伯克利分校马忠培教授讲座；硅谷天文学系列讲座的一部分（1:18:03）。

协作小组活动

当类星体首次被发现并且其强大能量来源尚不清楚时，一些天文学家在寻找证据，证明类星体离我们的距离比它们的红移所暗示的要近得多。（这样，它们就不必产生那么多的能量就能看起来像它们一样明亮。）一种方法是找到一个 “不匹配的对子” ——类星体和具有不同红移的星系，它们在天空中的方向几乎相同。假设你确实找到了唯一一个星系，其类星体非常靠近，而类星体的红移比星系的红移大六倍。让你的小组讨论一下你能否得出结论，两个物体的距离相同，红移不是衡量距离的可靠指标。为什么？假设你找到了三个这样的对，每对都有不同的不匹配红移？假设每个星系附近都有一个具有不同红移的类星体。你的答案会如何改变，为什么？
大型地面望远镜通常只能为每四名申请观测时间的天文学家中就有一人留出时间。一位著名的天文学家多年来一直试图确定类星体的红移并不表示它们的距离。起初，他有时间使用世界上最大的望远镜，但最终变得更清楚的是，类星体只是活跃星系的中心，它们的红移确实表明了距离。当时，审查此类提案的天文学家委员会拒绝给他安排观测时间。假设你的小组曾经是委员会。你会做出什么决定？为什么？（总的来说，天文学家应该有什么标准来允许观点完全不同意普遍观点的天文学家能够继续进行研究？）
根据本章以及《黑洞与曲线时空》中的信息，让你的小组讨论在类星体或活跃星系中超大质量黑洞的事件视野附近会是什么样子。列出去该地区旅行对你的健康不利的所有原因。具体一点。
在我们明白类星体的能量来自超大质量黑洞之前，天文学家对这么小的区域如何释放出如此多的能量感到困惑。提出了各种各样的模型，其中一些涉及新的物理学或与当前物理学相当 “遥远” 的想法。你的小组能否想出你在本课程中学习过的一些天文学领域，但我们还没有对宇宙中发生的事情做出解释？

查看问题

描述类星体和普通星系之间的一些区别。
描述支持类星体位于红移所示距离的观点的论点。
像类星体这样的活跃星系在哪些方面与普通星系不同？
为什么像 M87 这样的活跃星系中心的物质集中不能由恒星组成？
描述黑洞的作用可以解释类星体辐射的能量的过程。
描述一下使天文学家确信 M87 是一个活跃星系的观测结果。
为什么天文学家认为类星体代表了星系演化的早期阶段？
为什么类星体和活跃星系最初在某种程度上没有被认为是 “特殊的”？
我们现在认为普通星系和活跃星系之间的主要区别是什么？
我们在类星体中以无线电频率观察到的典型结构是什么？
我们有哪些证据表明类星体的发光中心区域既小又紧凑？

思想问题

假设你在天空中观察到一个类似星星的物体。你怎么能确定它实际上是恒星还是类星体？
为什么《星系》（哈勃定律本身除外）中描述的任何确定星系距离的方法都不适用于类星体？
解释类星体高红移的早期假设之一是，这些物体是以非常高的速度从其他星系喷射出来的。这个想法被拒绝了，因为没有发现带有大型蓝移的类星体。解释一下，如果类星体从附近的星系中弹出，为什么我们会期望看到既有蓝移线又有红移线的类星体。
你的一个朋友看过许多《星际迷航》剧集和电影，他说：“我以为黑洞把所有东西都拉进去了。那么，为什么天文学家认为黑洞可以解释类星体大量涌出的能量呢？” 你会如何回应？
银河系能否成为活跃的星系？它有可能像类星体一样发光吗？
为什么类星体通常比活跃星系发光得多（为什么它们消耗的能量要多得多）？
假设我们用射电望远镜探测到一个强大的无线电源。我们怎样才能确定这是否是新发现的类星体，而不是附近的无线电传输？
一位朋友试图说服你，她可以很容易地在后院望远镜中看到类星体。你会相信她的说法吗？

自己搞清楚

表明无论我们测量的红移 (\(z\)) 有多大，都\(v/c\)不会大于 1。（换句话说，我们观察到的任何星系的移动速度都不能超过光速。）
如果类星体的红移为 3.3，那么它会以光速的多大比例移开我们？
如果类星体以\(v/c\) = 0.8 的速度离开我们，那么测得的红移是多少？
在本章中，我们讨论了迄今为止发现的最大红移大于 6。假设我们找到了一个红移为 6.1 的类星体。它以多大比例的光速从我们身边移开？
类星体的快速变化表明产生能量的区域必须很小。你可以说明为什么这是真的。例如，假设产生能量的区域是一个直径为 1 光年的透明球体。假设该区域在 1 秒内亮度为 10 倍，并在两年内保持亮度，之后恢复到原始亮度。绘制从地球上看到的光线曲线（一段时间内的亮度变化图）。
较大的红移会将光谱线的位置移动到更长的波长，并改变从地面可以观测到的内容。例如，假设类星体的红移为\(\frac{\Delta \lambda}{\lambda} = 4.1\)。为了探测其实验室或静止波长为 121.6 nm 的莱曼氢线，你将在什么波长下进行观测？在红移为零的类星体中使用地面望远镜可以观测到这条线吗？在红移为的类星体中可以从地面观测到\(\frac{\Delta \lambda}{\lambda} = 4.1\)吗？
在本章中，我们将再次看到使用开普勒第三定律来估计超大质量黑洞的质量。以 NGC 4261 为例，本章提供了 NGC 4261 中黑洞质量的计算结果。为了得到这个答案，天文学家必须测量黑洞周围尘埃和气体环中粒子的速度。这些速度有多高？扭转开普勒的第三定律，使用本章中提供的有关星系 NGC 4261（其中心黑洞的质量和周围尘埃和气体环的直径）的信息来计算环中的尘埃粒子完成绕黑洞的单个轨道需要多长时间。假设作用于尘埃粒子的唯一力是黑洞施加的引力。以 km/s 为单位计算尘埃粒子的速度。
在第 27.1 节示例 27.1 的 “检查你的学习” 部分中，你被告知可见光谱中有几条氢吸收线的静止波长为 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。该示例表明，对于 410 nm 线，z = 0.20。表明无论你测量哪条吸收线，你都会获得相同的红移。
在第 27.1 节示例 27.1.1 的 “检查你的学习” 部分中，作者评论说\(z = 0.2\)，即便如此，相对论和传统解之间也已经存在了 11% 的偏差。经典结果和相对论结果之间的百分比差异是\(z = 0.1\)多少？这是干什么用的\(z = 0.5\)？这是干什么用的\(z = 1\)？
我们天空中最亮的类星体3C 273位于24亿光年的距离处。必须从1300光年的距离观察太阳，才能获得与3C 273相同的视觉大小。使用光的反平方定律，估算太阳单位中 3C 273 的亮度。