引言：在天文學(xué)領(lǐng)域，有種光聽(tīng)名字就讓人有點(diǎn)摸不著頭緒的東西，明明看上去像顆恒星，但卻比恒星明亮億萬(wàn)倍！而種種證據(jù)還顯示，這些家伙是既遙遠(yuǎn)又古老。這到底是怎樣一種存在？
知識(shí)點(diǎn)I：類星體的發(fā)現(xiàn)
1942年，英國(guó)在二次大戰(zhàn)時(shí)發(fā)明了雷達(dá)，發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)的無(wú)線電干擾，不經(jīng)意間開(kāi)啟了射電天文學(xué)的大門(mén)。戰(zhàn)后，劍橋大學(xué)利用射電望遠(yuǎn)鏡尋找天空中發(fā)射無(wú)線電波的天體，即射電源。1950年，發(fā)布了第一份射電源表（The 1st Cambridge catalog ofradio source），簡(jiǎn)稱1C，里面包含50個(gè)射電源。5年后發(fā)布了第二份射電源表2C，1959年經(jīng)過(guò)復(fù)核篩查后發(fā)布了第三份射電源表3C，總共包含了471個(gè)射電源。
1960年，美國(guó)帕洛瑪山天文臺(tái)的桑德奇找到了位于三角座里的3C 48光學(xué)對(duì)應(yīng)體。在其光譜中發(fā)現(xiàn)了很寬的發(fā)射線和強(qiáng)大的紫外輻射，而一般恒星的光譜都是吸收線。無(wú)獨(dú)有偶，哈扎德也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)類似目標(biāo)3C 273，光學(xué)對(duì)應(yīng)體是個(gè)13等的星點(diǎn)。
哈扎德的同事施密特利用帕洛瑪山5米口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡仔細(xì)測(cè)量了3C 273的每一條譜線，在思考了整整6周后，他突然意識(shí)到，這幾條發(fā)射線就是天文學(xué)家最熟悉的氫的巴爾末線以及電離氧的譜線，只不過(guò)它們沒(méi)有出現(xiàn)在定標(biāo)的位置上，而是在靠近紅色的位置。如原本486.1nm的Hβ線出現(xiàn)在563.0nm的位置上，位移達(dá)到76.9nm。紅移量z=76.9/481.1=0.158。這意味著3C 273的退行速度達(dá)到了4.4萬(wàn)km/s，距離則是約22億光年。計(jì)算其絕對(duì)星等達(dá)到了驚人的-26.7等，因此光度為太陽(yáng)的4萬(wàn)億倍，輻射總功率是整個(gè)銀河系的200倍！
天文學(xué)家意識(shí)到雖然看上去像恒星，但是它們一定是一種全新的天體，于是稱呼它為“Quasi-Stellar Object”，類似恒星的天體。于是，一個(gè)美籍華裔天文學(xué)家邱宏義挑了幾個(gè)英文字母，拼出了一個(gè)響亮的名字Quasar，中文名叫類星體。
知識(shí)點(diǎn)II：類星體特點(diǎn)
1、高紅移
1973年，旺普列發(fā)現(xiàn)了紅移為3.53的類星體OQ172。這項(xiàng)紀(jì)錄保持10年后被PKS2000-330打破，1987年找到了紅移為4.01的類星體。截止2017年，紅移最大的是ULAS J1342+0928，z=7.54，這意味著我們看到的是宇宙大爆炸僅6900萬(wàn)年形成的類星體。
2、光度大
類星體必須要有一個(gè)明亮的光學(xué)對(duì)應(yīng)體（才會(huì)被當(dāng)作恒星）。通常類星體的光度是太陽(yáng)的幾千億倍至幾千億倍，很可能比星系的總光度還要大。
3、電磁輻射強(qiáng)
雖然類星體是由射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的，但是早在1965年桑德奇就發(fā)現(xiàn)一種沒(méi)有明顯射電輻射的類星體，甚至到后來(lái)發(fā)現(xiàn)有90%的類星體不發(fā)射射電輻射。隨著觀測(cè)不斷深入，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)類星體的能量輸出范圍從射電波段到伽馬射線都有，紫外、X射線反而成為更主要的區(qū)間。有那么強(qiáng)的高能輻射就意味著類星體有著數(shù)百萬(wàn)度的高溫。而且，類星體有著強(qiáng)烈的發(fā)射線，這意味著類星體有著一個(gè)熾熱的氣體包層，而包層中可能含有急速湍流。種種跡象表明，類星體雖然“類恒星”但一定不是恒星，也不會(huì)是超新星。
3、輻射尺度小
1981年底，天文學(xué)家觀測(cè)到3C 48周?chē)陌翟萍捌涔庾V，發(fā)現(xiàn)暗云的紅移與3C 48一致，證明它們屬于同一個(gè)天體的結(jié)構(gòu)?！肮碧胀h(yuǎn)鏡升空后，一下子發(fā)現(xiàn)了幾十個(gè)類星體的基底星系。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)類星體輻射源范圍非常小，比如3C 273的直徑不大于1光年，有的甚至比太陽(yáng)系還要小，輻射能量卻是銀河的數(shù)千倍。
知識(shí)點(diǎn)II：類星體本質(zhì)
類星體是星系活躍的核心部分，被稱為活動(dòng)星系核（active galactic nucleus，AGN），之所以類星體看著像一個(gè)星點(diǎn)，是因?yàn)樗母吖舛劝研窍灯渌糠纸o擋住了。愛(ài)丁頓曾提出個(gè)恒星光度極限，即對(duì)任何一個(gè)穩(wěn)定的源來(lái)說(shuō)，其輻射所具有的外向壓力不能超過(guò)源把物質(zhì)維持在一起的內(nèi)向引力。根據(jù)這一原理，我們可以從已知的類星體光度，推導(dǎo)出類型的質(zhì)量范圍——太陽(yáng)的100萬(wàn)倍至100億倍之間。但是恒星核聚變的能量轉(zhuǎn)換效率只有0.7%，這對(duì)一個(gè)類星體來(lái)說(shuō)太低了。
1971年烏呼魯衛(wèi)星和地面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)確認(rèn)了天鵝座X-1的輻射發(fā)射區(qū)域直徑只有1000公里，質(zhì)量在10到15太陽(yáng)質(zhì)量之間，因此它被認(rèn)為是黑洞候選體。天文學(xué)家計(jì)算后認(rèn)為，當(dāng)黑洞吸積物質(zhì)擁有10%的能量轉(zhuǎn)換率，而且黑洞的質(zhì)量越大、轉(zhuǎn)動(dòng)越快的話，質(zhì)能轉(zhuǎn)換的效率越高。因此天文學(xué)家相信類星體的強(qiáng)大輻射來(lái)源于星系中心活躍的超大質(zhì)量黑洞。
知識(shí)點(diǎn)III：類星體與星系演化
現(xiàn)在的活動(dòng)星系核的模型認(rèn)為多數(shù)類星體反映出的是星系演化的早期形式。同時(shí)，也有理論認(rèn)為星系核心區(qū)域，恒星相當(dāng)密集，恒星的碰撞是大質(zhì)量黑洞的重要物質(zhì)來(lái)源（黑洞必須撕碎恒星吸積物質(zhì)才有輻射，恒星整個(gè)墜落視界將沒(méi)有輻射產(chǎn)生。）據(jù)計(jì)算，如果星系中心黑洞的質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)的10億倍，那么在距離黑洞10光年范圍內(nèi)，每年可能有10次以上恒星碰撞事件。觀測(cè)數(shù)據(jù)表明類星體的紅移分布在z=2附近顯得比較集中，紅移量更大或更小的類星體數(shù)量都呈現(xiàn)越來(lái)越少的情況。在已發(fā)現(xiàn)的類星體對(duì)應(yīng)的基底星系中，絕大多數(shù)沒(méi)有電離氫，這說(shuō)明這些類星體的壽命可能短于1億年。
宇宙剛剛誕生時(shí)，星系尚未形成，所以也就沒(méi)有什么星系核之說(shuō)。星系形成之初，核心區(qū)域可能還來(lái)不及形成巨型黑洞，吸積過(guò)程還沒(méi)形成，所以，也沒(méi)有高光度的表現(xiàn)。而當(dāng)宇宙年齡30億歲左右，巨型黑洞開(kāi)始形成了，星系核心也越來(lái)越密集，恒星碰撞概率提高，給黑洞提供了“食物來(lái)源”，再加上宇宙可能還沒(méi)膨脹到一個(gè)很大的范圍，星系與星系之間距離并不太遙遠(yuǎn)，也經(jīng)常發(fā)生碰撞，巨型黑洞相互并合形成更大質(zhì)量的黑洞，并產(chǎn)生大量的輻射。我們看到的類星體可能就是這個(gè)特殊時(shí)期。最后，隨著時(shí)間推移，星系之間以及星系內(nèi)恒星之間距離拉開(kāi)，超大質(zhì)量黑洞沒(méi)有足夠的食物來(lái)源，漸漸地，類星體就開(kāi)始消亡了。星系逐漸形成規(guī)模，演化出結(jié)構(gòu)，變成正常的棒旋星系或橢圓星系。
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