XLVII：什么是“类星体”？

引言：在天文学领域，有种光听名字就让人有点摸不着头绪的东西，明明看上去像颗恒星，但却比恒星明亮亿万倍！而种种证据还显示，这些家伙是既遥远又古老。这到底是怎样一种存在？

知识点I：类星体的发现

1942年，英国在二次大战时发明了雷达，发现了太阳的无线电干扰，不经意间开启了射电天文学的大门。战后，剑桥大学利用射电望远镜寻找天空中发射无线电波的天体，即射电源。1950年，发布了第一份射电源表（The 1st Cambridge catalog ofradio source），简称1C，里面包含50个射电源。5年后发布了第二份射电源表2C，1959年经过复核筛查后发布了第三份射电源表3C，总共包含了471个射电源。

1960年，美国帕洛玛山天文台的桑德奇找到了位于三角座里的3C 48光学对应体。在其光谱中发现了很宽的发射线和强大的紫外辐射，而一般恒星的光谱都是吸收线。无独有偶，哈扎德也发现了一个类似目标3C 273，光学对应体是个13等的星点。

哈扎德的同事施密特利用帕洛玛山5米口径光学望远镜仔细测量了3C 273的每一条谱线，在思考了整整6周后，他突然意识到，这几条发射线就是天文学家最熟悉的氢的巴尔末线以及电离氧的谱线，只不过它们没有出现在定标的位置上，而是在靠近红色的位置。如原本486.1nm的Hβ线出现在563.0nm的位置上，位移达到76.9nm。红移量z=76.9/481.1=0.158。这意味着3C 273的退行速度达到了4.4万km/s，距离则是约22亿光年。计算其绝对星等达到了惊人的-26.7等，因此光度为太阳的4万亿倍，辐射总功率是整个银河系的200倍！

天文学家意识到虽然看上去像恒星，但是它们一定是一种全新的天体，于是称呼它为“Quasi-Stellar Object”，类似恒星的天体。于是，一个美籍华裔天文学家邱宏义挑了几个英文字母，拼出了一个响亮的名字Quasar，中文名叫类星体。

知识点II：类星体特点

1、高红移

1973年，旺普列发现了红移为3.53的类星体OQ172。这项纪录保持10年后被PKS2000-330打破，1987年找到了红移为4.01的类星体。截止2017年，红移最大的是ULAS J1342+0928，z=7.54，这意味着我们看到的是宇宙大爆炸仅6900万年形成的类星体。

2、光度大

类星体必须要有一个明亮的光学对应体（才会被当作恒星）。通常类星体的光度是太阳的几千亿倍至几千亿倍，很可能比星系的总光度还要大。

3、电磁辐射强

虽然类星体是由射电望远镜发现的，但是早在1965年桑德奇就发现一种没有明显射电辐射的类星体，甚至到后来发现有90%的类星体不发射射电辐射。随着观测不断深入，天文学家发现类星体的能量输出范围从射电波段到伽马射线都有，紫外、X射线反而成为更主要的区间。有那么强的高能辐射就意味着类星体有着数百万度的高温。而且，类星体有着强烈的发射线，这意味着类星体有着一个炽热的气体包层，而包层中可能含有急速湍流。种种迹象表明，类星体虽然“类恒星”但一定不是恒星，也不会是超新星。

3、辐射尺度小

1981年底，天文学家观测到3C 48周围的暗云及其光谱，发现暗云的红移与3C 48一致，证明它们属于同一个天体的结构。“哈勃”太空望远镜升空后，一下子发现了几十个类星体的基底星系。天文学家发现类星体辐射源范围非常小，比如3C 273的直径不大于1光年，有的甚至比太阳系还要小，辐射能量却是银河的数千倍。

知识点II：类星体本质

类星体是星系活跃的核心部分，被称为活动星系核（active galactic nucleus，AGN），之所以类星体看着像一个星点，是因为它的高光度把星系其他部分给挡住了。爱丁顿曾提出个恒星光度极限，即对任何一个稳定的源来说，其辐射所具有的外向压力不能超过源把物质维持在一起的内向引力。根据这一原理，我们可以从已知的类星体光度，推导出类型的质量范围——太阳的100万倍至100亿倍之间。但是恒星核聚变的能量转换效率只有0.7%，这对一个类星体来说太低了。

1971年乌呼鲁卫星和地面望远镜观测确认了天鹅座X-1的辐射发射区域直径只有1000公里，质量在10到15太阳质量之间，因此它被认为是黑洞候选体。天文学家计算后认为，当黑洞吸积物质拥有10%的能量转换率，而且黑洞的质量越大、转动越快的话，质能转换的效率越高。因此天文学家相信类星体的强大辐射来源于星系中心活跃的超大质量黑洞。

知识点III：类星体与星系演化

现在的活动星系核的模型认为多数类星体反映出的是星系演化的早期形式。同时，也有理论认为星系核心区域，恒星相当密集，恒星的碰撞是大质量黑洞的重要物质来源（黑洞必须撕碎恒星吸积物质才有辐射，恒星整个坠落视界将没有辐射产生。）据计算，如果星系中心黑洞的质量达到太阳的10亿倍，那么在距离黑洞10光年范围内，每年可能有10次以上恒星碰撞事件。观测数据表明类星体的红移分布在z=2附近显得比较集中，红移量更大或更小的类星体数量都呈现越来越少的情况。在已发现的类星体对应的基底星系中，绝大多数没有电离氢，这说明这些类星体的寿命可能短于1亿年。

宇宙刚刚诞生时，星系尚未形成，所以也就没有什么星系核之说。星系形成之初，核心区域可能还来不及形成巨型黑洞，吸积过程还没形成，所以，也没有高光度的表现。而当宇宙年龄30亿岁左右，巨型黑洞开始形成了，星系核心也越来越密集，恒星碰撞概率提高，给黑洞提供了“食物来源”，再加上宇宙可能还没膨胀到一个很大的范围，星系与星系之间距离并不太遥远，也经常发生碰撞，巨型黑洞相互并合形成更大质量的黑洞，并产生大量的辐射。我们看到的类星体可能就是这个特殊时期。最后，随着时间推移，星系之间以及星系内恒星之间距离拉开，超大质量黑洞没有足够的食物来源，渐渐地，类星体就开始消亡了。星系逐渐形成规模，演化出结构，变成正常的棒旋星系或椭圆星系。