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类星体3C273的照片
类星体3C273的光谱

  二十世纪六十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

目录

发现

  1960年,马修斯和桑德奇找到了射电源3C48的光学对应体,在照相底片上,它类似恒星。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1,000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″。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。光学波段连续光谱的能量分布呈幂律谱形式Ivv-α,Iv为辐射强度,v为频率,α为谱指数,常大于零。光学辐射是偏振的,具有非热辐射性质(见热辐射和非热辐射)。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。射电结构多数呈双源型,少数呈复杂结构,还有少数是致密的单源,角直径小于0妠NEI_RONG}1,至今都未能分辨开。致密源的位置通常都与光学源重合。射电辐射的频谱指数α平均为0.75。一般,α >0.4的称陡谱;α<0.4的称平谱。陡谱射电源多数是双源;平谱射电源多数是致密单源,它们的厘米波段辐射特别强。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。迄今为止,观测到的最大红移为3.53(OQ172)。对于有吸收线的类星体来说,吸收线红移z一般小于发射线红移z。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。例如,类星体PHL957的发射线红移为2.69,吸收线红移有五组:2.67、2.55、2.54、2.31、2.23。⑦近年来的观测表明,有些类星体还发出X射线辐射。

红移

  大多数类星体的红移大于1。如果把类星体红移z解释为多普勒红移,则退行速度v 可由下式算出:

Lxt20071108.gif

式中c为光速,z =3.5时,v 高达0.9c。

  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(如塞佛特星系)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。

  少数天文学家认为类星体的红移不是宇宙学红移。这种观点所依据的观测事实有:某些类星体和亮星系(它们的红移相差很大)的抽样统计结果表明,它们之间存在一定的统计相关性;某些类星体(如马卡良星系205)似乎同亮星系之间有物质桥联系,而二者的红移相差极大。持这种观点的人对红移提出过一些解释。例如,认为类星体是银河系或其附近星系抛出来的,因此认为类星体红移是多普勒红移,而不是宇宙学红移。也有人认为,类星体红移是大质量天体的引力红移。还有一些理论认为类星体的红移可能是某种未知的物理规律造成的,这就向近代物理学提出了所谓的红移挑战。

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)将达1046~1047尔格/秒,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(高达1011/秒差距3),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。这种星的光度可达1046尔格/秒左右,但能谱将是热辐射的,这就不能说明观测到的幂律谱。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(见磁合并)或中性片(见电流片),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。

吸收线

  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。对于z≤z发的类星体来说,第一种可能性大;对于z┚z的类星体来说,第二种可能性大。不过,类星体的吸收线很窄,对应的湍流速度只有每秒10公里左右,其原因尚不清楚。

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。

  参考书目

  G. Burbidge and M. Burbidge, Quasi-Stellar Objects, W.H.Freeman,San Francisco,1967.

  G.B.Field et al.,The Redshift Controversy,W.A.Benjamin Inc.,Mass.,1973.

  H. L. Shipman,Black holes,Quasars, and the Universe, Houghton Mifflin Co.,Boston,1976.

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