特殊星系——类星体

    特殊星系是指形态和结构都不同于正常星系的河外星系。这类星系同暗一些的背景星系相比较,它们有一个很亮的致密核,都有核心区爆发遗留下来的痕迹。致密核不仅有高光度,且有很强的射电、红外和X辐射。星系核活动期间会有数次乃至十多次爆发,在整个活动期间,所释放的总能量比银河系整个生命期间释放的还多。

  类星体中心向外喷射的高能气体喷流,长度达几千光年,甚至几百万光年。要知道,银河系的直径才10万光年呀。随喷流释放的电波能量,是银河系的100万倍。这喷流,像喷泉,更像连续施放的礼花。类星体的光变同样异常壮观,它在几十分钟之内光度可增加几倍。由于它本身的光度基数很大,是太阳光度的107亿倍,因此,在类星体的光度面前,超新星爆发的光度就是小巫见大巫了,只及其千分之一。类星体的光变,有如焰火施放间歇中的探照灯扫过夜空,令人遐思闪烁。

 类星体中心巨型黑洞的潮汐力,可以将靠近它的恒星撕裂,那种壮观场面更是空前的。当运行在轨道上的恒星逐渐靠近类星体中心和随后逐渐远离时,就像有一双无形的手,使恒星像揉面团一样不断地改变形状,最后变成雪茄形,在眼看就要远离时,雪茄形的恒星突然碎裂,成为类星体中心巨型黑洞的美食。但是,碎裂的恒星碎片并不直接落入黑洞,而是在黑洞上方形成一个吸积盘,由于温度高,吸积盘除放射X射线外,还发可见光,使吸积盘像一张巨大的光碟在空中旋转,煞是好看。


    特殊星系可分为:塞佛特星系、N型星系、射电星系、马卡良星系、致密星系、蝎虎座BL型天体、类星体。许多星系表现出剧烈的活动变化,这样的星系又称为活动星系。
    塞佛特星系是1943年塞佛特发现的,有小而密的核和不显著的旋臂,颜色很蓝,是一种有强烈的星系核活动的漩涡星系。它的核以每秒几千公里的速度抛射物质。
    N型星系是美国天文学家摩更于1958年提出的星系分类法中的一种,以N为符号。具有很高光度,类似恒星的核心,周围有暗弱星云。摩更星系分类法不常用,但"N型星系"的叫法却常用。
    射电星系是具有明显的射电辐射的星系,大都为椭圆星系。
    马卡良星系由苏联天文学家马卡良发现。具有反常的强紫外辐射。一类为亮核型,多为塞佛特星系;另一类为弥漫型。
    致密星系看起来象个恒星,只是从它的光谱上才看出它是个星系,具有很高亮度。
    蝎虎座BL型天体因蝎虎座BL得名。1929年发现蝎虎座BL是一个光变不规则、光谱中只有连续谱没有线光谱的特殊天体。
    类星体是二十世纪六十年代发现的一种类似于恒星,而在光谱上有巨大红移的新型天体。1960年,马修斯和桑得奇找到了射电源3C48,竟然是个很暗、蓝色的星。另一颗叫做3C273的射电源也是个很暗、蓝色的星。这些射电源看起来象恒星,但又不是通常的恒星人们叫它们"类星体"。
    类星体有较大红移值,大多天文学家认为红移反映了天体的退行,符合哈勃定律。因此类星体是人类迄今为止观测到的最远的天体。例如类星体PKS2000-330,红移值3.78,推算其距离为360亿光年。

 


    类星体离开我们的速度特别大,例如,类星体3C273退行速度为4740公里每秒,为光速1/6;类星体OQ172退行速度为27,000公里每秒,为光速9/10。
    类星体亮度惊人,太阳放在的位置,我们就无法看到;银河系放在3C273的位置,其所有恒星亮度之和不及3C273百分之一。
    类星体体积很小,有些只有几光年的直径,可能量大得惊人,一颗就可发出几百个银河系的能量,也就是几千亿个太阳的能量。
    已发现一些类星体的两个子源在以高速分离,向外膨胀速度超过光速,最大可达光速十倍。这与广义相对论矛盾。目前这种超光速之谜仍未有很好解答。


上面的类星体,其亮度超过一般星系的百倍,但由于遥远,看起来相当暗淡。左图是目前所知最远的类星体,约150亿光年。


类星体(quasar)

20世纪60年代发现的一种新型天体,它在照相底片上具有类似恒星的像,它的光谱有巨大红移,发射出很强的无线电波。类星体的显著特点是,它在以飞快的速度远离我们而去,因此具有很大的红移。这类天体距离我们都很远,大约在几十亿光年以外,甚至更远,可看上去光学亮度却不弱。可见光区的辐射功率是普通星系的在百上千倍,而射电功率竟比普通星系大上100万倍。对类星体的发现是上个世纪60年代天文学的四大发现之一。起初,人们接收到射电波,却不知道是从哪里发射的。1960年,马修斯和桑德奇找到了射电源3C48的光学对应体,看起来它像是一颗恒星。分光观测表明,它的光谱中有许多宽而强的发射线,当时未能证认出这些谱线。1963年,射电源3C273被证认为一个13星等的类似恒星的天体。M.施米特发现它的光谱与3C48的光谱很类似,并且成功地证认了3C273的谱线。结果表明,它们是地球上熟知的一些元素产生的发射线,但其红移很大,达0.158。3C48的谱线也得到了证认,红移更大,达0.367。随后,又陆续发现了一批性质类似3C48和3C273的射电源。它们在照相底片上都呈类似恒星的像,因此被称为类星射电源。光学观测表明,类星射电源的紫外辐射非常强。后来发现一些光学性质类似于3C48和 3C273的天体,但它们并不发出射电辐射。这种天体称为蓝星体。类星射电源和蓝星体被统称为类星体。到1979年已发现了1000多个类星体,其中类星射电源约300多个。

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秒。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。光学辐射是偏振的,具有非热辐射性质。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。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。⑦近年来的观测表明,有些类星体还发出X射线辐射。

红移是河外天体共有的特征。因此,绝大多数天文学家认为,类星体是河外星体。红移-视星等关系的统计的结果表明:哈勃定律对于河外星系是适用的。就是说,它们的红移是宇宙学红移,它们的距离是宇宙学距离,它们的红移和视星等是统计相关的。可是,对类星体来说,红移和视星等的统计相关性很差,这就产生了两个彼此相关的问题:类星体的红移是否就是宇宙学红移,类星体的距离是否就是宇宙学的距离。大多数天文学家认为,类星体的红移是宇宙学红移。因此,红移反映了类星体的退行,而且符合哈勃定律。按照这种看法,作为一种天体类型而言,类星体是人类迄今为止观测到的最遥远的天体。持这种观点的人认为,类星体红移-视星等的统计相关性很差的原因,在于类星体的绝对星等弥散太大。如果按照一定的标准将类星体分类,对某种类型的类星体进行红移-视星等统计,则相关性便会显著提高。支持宇宙学红移的观测事实还有:已发现三个类星体分别位于三个星系团里,而这些类星体的红移和星系团的红移差不多;类星体与某些激扰星系很类似;蝎虎座BL型天体是一种在形态上类似恒星的天体,以前认为它们是银河系内的变星,现已确定,它们是遥远的河外天体。

能源和粒子加速 类星体的射电辐射无疑是同步加速辐射,光学辐射也很可能是同步加速辐射。至于类星体的红外辐射,尚有待进一步研究,但至少有一部分可能仍是同步加速辐射。如果类星体的红移是宇宙学红移,它们的光度(包括射电、红外线、可见光直至 X射线),是迄今为止观测到的辐射功率最大的天体。类星体的寿命,估计约为106年。因此,高能电子和磁场的总能量将高达1062尔格。现在普遍认为,高能电子来源于类星体的中心区域。但是,从光变资料估计出的类星体光学辐射区域的大小,只有几光日到几光年,也就是1015~1017厘米。高能电子源一定更小。因此,这里就有两个尖锐的问题:①为什么这样小的面积能发出这么巨大的能量?②高能电子产生的机制是什么?为了解释这些问题,已经提出了许多种理论模型。一种模型是恒星碰撞,认为在类星体中心,恒星的空间密度极高,经常发生碰撞,从而释放能量。但对于碰撞释放的能量怎样转化为高能电子的能量这一点,并不清楚。由于超新星爆发时要释放大量的高能电子,就有一种观点认为,恒星碰撞后会粘合在一起,形成质量越来越大的恒星。大质量恒星迅速演化为超新星,然后爆发,释放高能电子。恒星碰撞模型要求有很大的恒星数密度,这是它的一个严重困难。另一种模型是质量约为 108太阳质量的大质量星。这种星的光度可以非常强,但能谱将是热辐射的,这又不能说明观测到的情况。另外,这种星也很不稳定。后来又提出一种有磁场而且在自转的大质量星模型,称为磁转子。磁转子是稳定的,具有很高的光度。同时,由于自转,磁力线会扭结,最终产生中性线或中性片,并导致爆发。这可用来解释类星体的光变。不过,光变应该是周期性的,这又同观测结果相矛盾。此外,还有黑洞吸积、白洞、物质-反物质湮没等模型。迄今为止,尚无一种令人满意的模型。

类星体和活动星系 活动星系(又称激扰星系)都有一个处于剧烈活动状态的核。活动星系核在许多方面都与类星体相似: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等。因此,类星体本质上可能是某种活动星系,观测到的类星体现象是星系核的活动。当然,如果类星体位于宇宙学距离,那么,它们的活动会比一般活动星系更为剧烈,功率更大。类星射电源的射电性质类似射电星系和N星系。后二者一般属于巨椭圆星系。因此,有些天文学家猜测,类星体是遥远的巨椭圆星系。就光学性质而言,类星体酷似Ⅰ型塞佛特星系。因此,现在更倾向于类星体是遥远的塞佛特星系这种看法。产生类星体的吸收线的原因可能有两种,一是吸收线产生于类星体附近的气体云,这些气体云是从类星体抛出来的。二是吸收线产生于类星体和观测者之间的某些河外天体。这些河外天体同类星体可能毫无关系。

超光速现象, 已经发现 3C345等几个类星射电源的两致密子源以很高的速度分离。如果类星体位于宇宙学距离,两子源向外膨胀的速度将超过光速,最大的可达光速的10倍。有人认为,类星体并不位于宇宙学距离,这就根本不会出现超光速现象。但是观测发现,有一个射电星系也存在类似的超光速现象,而射电星系无疑位于宇宙学距离。可见这种看法的证据尚不充分。另一种看法认为,超光速现象是存在的。但是,为了不与相对论矛盾,认为这种现象并不反映粒子的真实运动,而是某种“假象”,因而是“视”超光速膨胀。目前,已提出好几种模型来解释视超光速现象,但都不能彻底解决问题。