類星體

　　二十世紀六十年代發現的一種新型天體，它在照相底片上具有類似恒星的像，它的光譜有巨大紅移。

　　發現　1960年，馬修斯和桑德奇找到瞭射電源3C48的光學對應體，在照相底片上，它類似恒星。分光觀測表明，它的光譜中有許多寬而強的發射線，當時未能證認出這些譜線。1963年，射電源3C273被證認為一個13星等的類似恒星的天體。M.施米特發現它的光譜與3C48的光譜很類似，並且成功地證認瞭33C273的譜線。結果表明，它們是地球上熟知的一些元素產生的發射線，但其紅移很大，達0.158。3C48的譜線也得到瞭證認，紅移更大，達0.367。隨後，又陸續發現瞭一批性質類似3C48和3C273的射電源。它們在照相底片上呈類似恒星的像，因此被稱為類星射電源。光學觀測表明，類星射電源的紫外輻射非常強。後來發現一些光學性質類似於3C48和3C273的天體，但它們並不發出射電輻射。這種天體稱為藍星體。類星射電源和藍星體被統稱為類星體。到1979年已發現瞭1，000多個類星體，其中類星射電源約300多個。

　　主要觀測特點　①類星體在照相底片上具有類似恒星的像，這意味著它們的角直徑小於1″。極少數類星體有微弱的星雲狀包層，如3C48。還有些類星體有噴流狀結構。②類星體光譜中有許多強而寬的發射線，包括容許譜線和禁線。最經常出現的是氫、氧、碳、鎂等元素的譜線，氦線非常弱或者不出現，這隻能用氦的低豐度來解釋。現在普遍認為，類星體的發射線產生於一個氣體包層，產生的過程與一般的氣體星雲類似。類星體的發射線很寬，說明氣體包層中一定存在猛烈的湍流運動。有些類星體的光譜中有很銳的吸收線，說明產生吸收線的區域裡湍流運動的速度很小。③類星體發出很強的紫外輻射，因此，顏色顯得很藍。光學波段連續光譜的能量分佈呈冪律譜形式I_v∝v^-α，I_v為輻射強度，v為頻率，α為譜指數，常大於零。光學輻射是偏振的，具有非熱輻射性質（見熱輻射和非熱輻射）。另外，類星體的紅外輻射也非常強。④類星射電源發出強烈的非熱射電輻射。射電結構多數呈雙源型，少數呈復雜結構，還有少數是致密的單源，角直徑小於0_.^″001，至今都未能分辨開。致密源的位置通常都與光學源重合。射電輻射的頻譜指數α平均為0.75。一般，α>0.4的稱陡譜；α＜0.4的稱平譜。陡譜射電源多數是雙源；平譜射電源多數是致密單源，它們的厘米波段輻射特別強。⑤類星體一般都有光變，時標為幾年。少數類星體光變很劇烈，時標為幾個月或幾天。從光變時標可以估計出類星體發出光學輻射的區域的大小（幾光日至幾光年）。類星射電源的射電輻射也經常變化。觀測還發現有幾個雙源型類星射電源的兩子源，以極高的速度向外分離。光學輻射和射電輻射的變化沒有周期性。⑥類星體的發射線都有很大紅移。迄今為止，觀測到的最大紅移為3.53(OQ172)。對於有吸收線的類星體來說，吸收線紅移z_吸一般小於發射線紅移z_發。有些類星體有好幾組吸收線，分別對應於不同的紅移，稱為多重紅移。例如，類星體PHL957的發射線紅移為2.69，吸收線紅移有五組：2.67、2.55、2.54、2.31、2.23。⑦近年來的觀測表明，有些類星體還發出X射線輻射。

　　紅移　大多數類星體的紅移大於1。如果把類星體紅移z解釋為多普勒紅移，則退行速度v可由下式算出：

，

式中 c為光速， z=3.5時， v高達0. 9 c。

　　紅移是河外天體共有的特征。因此，絕大多數天文學傢認為，類星體是河外星體。紅移－視星等關系的統計的結果表明：哈勃定律對於河外星系是適用的。就是說，它們的紅移是宇宙學紅移，它們的距離是宇宙學距離，它們的紅移和視星等是統計相關的。可是，對類星體來說，紅移和視星等的統計相關性很差，這就產生瞭兩個彼此相關的問題：類星體的紅移是否就是宇宙學紅移，類星體的距離是否就是宇宙學的距離。大多數天文學傢認為，類星體的紅移是宇宙學紅移。因此，紅移反映瞭類星體的退行，而且符合哈勃定律。按照這種看法，作為一種天體類型而言，類星體是人類迄今為止觀測到的最遙遠的天體。持這種觀點的人認為，類星體紅移-視星等的統計相關性很差的原因，在於類星體的絕對星等彌散太大。如果按照一定的標準將類星體分類，對某種類型的類星體進行紅移-視星等統計，則相關性便會顯著提高。支持宇宙學紅移的觀測事實還有：已發現三個類星體分別位於三個星系團裡，而這些類星體的紅移和星系團的紅移差不多；類星體與某些激擾星系（如塞佛特星系）很類似；蠍虎座BL型天體是一種在形態上類似恒星的天體，以前認為它們是銀河系內的變星，現已確定，它們是遙遠的河外天體。

　　少數天文學傢認為類星體的紅移不是宇宙學紅移。這種觀點所依據的觀測事實有:某些類星體和亮星系(它們的紅移相差很大)的抽樣統計結果表明，它們之間存在一定的統計相關性；某些類星體（如馬卡良星系205）似乎同亮星系之間有物質橋聯系，而二者的紅移相差極大。持這種觀點的人對紅移提出過一些解釋。例如，認為類星體是銀河系或其附近星系拋出來的，因此認為類星體紅移是多普勒紅移，而不是宇宙學紅移。也有人認為，類星體紅移是大質量天體的引力紅移。還有一些理論認為類星體的紅移可能是某種未知的物理規律造成的，這就向近代物理學提出瞭所謂的紅移挑戰。

　　能源和粒子加速　類星體的射電輻射無疑是同步加速輻射，光學輻射也很可能是同步加速輻射。至於類星體的紅外輻射，尚有待進一步研究，但至少有一部分可能仍是同步加速輻射。如果類星體的紅移是宇宙學紅移，它們的光度（包括射電、紅外線、可見光直至 X射線）將達10⁴⁶～10⁴⁷爾格/秒，是迄今為止觀測到的輻射功率最大的天體。類星體的壽命，估計約為10⁶年。因此，高能電子和磁場的總能量將高達10⁶²爾格。現在普遍認為，高能電子來源於類星體的中心區域。但是，從光變資料估計出的類星體光學輻射區域的大小，隻有幾光日到幾光年，也就是10¹⁵～10¹⁷厘米。高能電子源一定更小。因此，這裡就有兩個尖銳的問題：①為什麼這樣小的面積能發出這麼巨大的能量？②高能電子產生的機制是什麼？為瞭解釋這些問題，已經提出瞭許多種理論模型。一種模型是恒星碰撞，認為在類星體中心，恒星的空間密度極高，經常發生碰撞，從而釋放能量。但對於碰撞釋放的能量怎樣轉化為高能電子的能量這一點，並不清楚。由於超新星爆發時要釋放大量的高能電子，就有一種觀點認為，恒星碰撞後會粘合在一起，形成質量越來越大的恒星。大質量恒星迅速演化為超新星，然後爆發，釋放高能電子。恒星碰撞模型要求有很大的恒星數密度（高達10¹¹/秒差距³），這是它的一個嚴重困難。另一種模型是質量約為10⁸太陽質量的大質量星。這種星的光度可達10⁴⁶爾格/秒左右，但能譜將是熱輻射的，這就不能說明觀測到的冪律譜。另外，這種星也很不穩定。後來又提出一種有磁場而且在自轉的大質量星模型，稱為磁轉子。磁轉子是穩定的，具有很高的光度。同時，由於自轉，磁力線會扭結，最終產生中性線（見磁合並）或中性片（見電流片），並導致爆發。這可用來解釋類星體的光變。不過，光變應該是周期性的，這又同觀測結果相矛盾。此外，還有黑洞吸積、白洞、物質-反物質湮沒等模型。迄今為止，尚無一種令人滿意的模型。

　　類星體和活動星系　活動星系（又稱激擾星系）都有一個處於劇烈活動狀態的核。活動星系核在許多方面都與類星體相似：體積很小；光譜中有很強的發射線；發出從射電波段到X射線波段的非熱輻射；經常有光變和爆發現象等等。因此，類星體本質上可能是某種活動星系，觀測到的類星體現象是星系核的活動。當然，如果類星體位於宇宙學距離，那麼，它們的活動會比一般活動星系更為劇烈，功率更大。類星射電源的射電性質類似射電星系和N星系。後二者一般屬於巨橢圓星系。因此，有些天文學傢猜測，類星體是遙遠的巨橢圓星系。就光學性質而言，類星體酷似Ⅰ型塞佛特星系。因此，現在更傾向於類星體是遙遠的塞佛特星系這種看法。

　　吸收線　產生類星體的吸收線的原因可能有兩種，一是吸收線產生於類星體附近的氣體雲，這些氣體雲是從類星體拋出來的。二是吸收線產生於類星體和觀測者之間的某些河外天體。這些河外天體同類星體可能毫無關系。對於z_吸≤z_發的類星體來說，第一種可能性大；對於z_吸┚z_發的類星體來說，第二種可能性大。不過，類星體的吸收線很窄，對應的湍流速度隻有每秒10公裡左右，其原因尚不清楚。

　　超光速現象　已經發現3C345等幾個類星射電源的兩致密子源以很高的速度分離。如果類星體位於宇宙學距離，兩子源向外膨脹的速度將超過光速，最大的可達光速的10倍。有人認為，類星體並不位於宇宙學距離，這就根本不會出現超光速現象。但是觀測發現，有一個射電星系也存在類似的超光速現象，而射電星系無疑位於宇宙學距離。可見這種看法的證據尚不充分。另一種看法認為，超光速現象是存在的。但是，為瞭不與相對論矛盾，認為這種現象並不反映粒子的真實運動，而是某種“假象”，因而是“視”超光速膨脹。目前，已提出好幾種模型來解釋視超光速現象，但都不能徹底解決問題。

　　

參考書目

　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.