天文小百科:浅谈类星体

时间:2019-10-07 07:00:02 来源:天津视窗 当前位置:生活也要一如既往 > 管理 > 手机阅读

一、缘起


从1960年起,人们对剑桥第三电波星表中(3C)一些不知意义、模糊的无线电波源,陆陆续续有下列的发现:

1.它们的光学体很小(光学直径<1"),和恒星很难区别:

从帕罗马天文台5m望远镜所拍照片中显示,它和恒星一样,都只是一个光点。

2.它们有极亮(非比寻常的亮)的表面:

在可见光及无线电波波段都此特性。

3.它们的光谱是连续光谱及强烈的发射谱线:

在1962/63年,由M.Schmidt测出这和那些已知的电波星系光谱相同。

事实上,测得的类星体的光谱主要有三部分;

1.由同步辐射造成的非热性连续光谱;

2.吸积作用造成极明亮的发射谱线;

3.星际介质造成的吸收谱线。

4.它们的光谱呈现巨大的红位移量(位移指数Z=△λ/λ)。

因此由赫伯定律推论,它们是极远的蓝色星系,可见光绝对亮度超过一般正常星系的100倍,而电波强度和CygA星系相当。

到此阶段的探查,我们将之冠上类星体Quasar之名(或谓类星电波源Quasistellar Radio Source)。


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二、定名


1965年A.Sandage 发现许多类星体,它们的光学性质和类星电波源相同;都有紧密的结构,极亮的表面及蓝的颜色;但它们却没有辐射无线电波(或是太弱了,而没被测到),因此我们可将它们分为两类:

1.类星电波源QSR's:能用光学及电波段测出,这类比较少,占目前类星体总数的1/20。

2.类星体QSO's(或称电波宁静类星体):不辐射电波,.只能以光学测出。

今日,我们相信它们代表的是同一种天体,只不过有的电波辐射减弱了;科学家相信,具有强烈电波辐射的类星体可能是类星体「一生」中处于短暂的「发高烧」阶段的产物。因此,称之为类星电波源(quasars)或类星体(quasistellar objects)都可以;有必要时,再注意它有没有辐射电波即可。

目前,在可见光及电波波段的天空搜寻中,数千个类星体已被发现;例如MP Veron-Cetty 及P.Veron(1989)作的星表目录中有4,170个类星体,A.Hewit t和G.Burbidge(1987)所出星表中3,570个附有红移资料的类星体。


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三、历史纪录


·最近的类星体-3C273(M.Schmidt所发现):

视星等mv=12.8(其余的比16等还暗),红移z=0.158(相当距离950Mpc.约等于31亿光年远)。

·最亮的类星体-S50014+81:

绝对星等Mv=-33等(mv=16.5);z值为3.14。

·最大红移指数(相当于最远)的类星体-PKS2000-300:

mv=19,z=3.78(记录已被取代,并不断刷新中!)。

不过在1986年后,发现越来越多更大红移的类星体,其中约有30个z值超过4的;最近的报告(1990年)指出,PC1247+3406的z值为4.90。值得一提的是,类星体的数目似乎以Z=2左右为分界;红移小于2的随着z值增大,数目也越多,而红移大于2的,分布趋势则相反,z值越大的类星体数目越小。


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最早发现类星体巨大红移现象的,是M.Schmidt 在分析3c 273光谱时顿悟的;他感觉那些强烈的发射谱线相对排列顺序与氢原子光谱的几条谱线很相似;不同的只是整个光谱都向红端(长波)移动了一大截。以PKS2000-300(图一)为例,由图中可看出,氢谱线之一Lα,已由原波长λo=121.6nm 移到λ=581.2nm,其z值=Δλ/λ=4;因此我们在可见光区找到这些本来应在紫外线区的发射谱线(包括氢的赖曼线系及CIV谱线λ o=155nm都是)。(图一)

类星体的红移量是如此的巨大,我们不能只是以简单的赫伯定律(距离d与z值成正比)来决定它的距离;而必须以广义相对论为基础的宇宙模式来解释它。


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四、与星系的关系


类星体的绝对星等Mv在-25~-33等之间(由赫伯常数Ho=50km/s·Mpc推算),这可推论出其光度在10 12 ~10 14 L⊙之间(约4 *10 38 ~10 41 W),这代表类星体是宇宙最亮的天体;它们是遥远活跃星系的极亮核及塞佛特星、N星系及电波星系强烈活动的延续。这些的星系的轮廓只有在最近的类星体3C273的光学影像中被辨认出,呈现模糊、扩张、云雾状的斑点;通常星系被比它亮很多的核的光芒所掩过,而呈现类星体的现象。只有到最近,以极灵敏的CCD侦测器及现代影像扩大技术,这才比较有可能测出那些z≦0.5的类星体及和它有关的星系(因z值越小之类星体距离越近,与其有关之母星系才不至于太暗)。减去类星体光度后的星系绝对星等在-21~ -23等之间,是直径40~150kpc的椭圆星系或漩涡星系。观测结果认为有强电波辐射的类星体可能属于椭圆星系,而无电波电波类星体则属于漩涡星系。

此外,在某些类星体中,其分立的子电波源间出现分离的相对速度居然快过光速的现象!例如3C273;由巨大天线阵从1977年到1980年,以波长2.8cm的无线电波波段观测结果显示,其分立两子电波源间分离速度高达11倍光速。

虽然,光速是物体运动速度的极限也是能量传递速度的极限;但这种看似不可思议的超光速现象,在视觉上却有可能造成超光速的现象。例如,在夜晚将探照灯射向高空,由于云层的反射,天空会出现亮点;当地面的探照灯缓慢转动时,在高空的亮点却以极快的速度在移动。如果这云层够高,亮点的速度甚至可以超过光速。以这模型来解释上述类星体中的现象,认为是由类星体中心母体喷出两股相反方向的粒子流(相当于探照灯的光),它照在星际介质上(相当于高空的云),从而激起电波辐射(相当于亮点);因此,只要中心母体有小小的摆动,粒子流照射所激起的辐射区就会迅速的移动;如此看来,这两辐射区相离速度超过光速就大有可能了。


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五、巨大红位移之谜


根据同步电子辐射原理推论出,类星体质量~10 8 M⊙,所有辐射能(光度)~10 39 W≒10 13 L⊙。根据相对论E=m·c 2推算其寿命约10 8年。推算出如此巨大能量之结果,使得一些天文学家质疑:决定距离的基础是否为赫伯红移关系?

一般认为红移所代表的可能性有三种:

1.赫伯红移

越远的星系红移效应越大;类星体是目前发最远的星系,它可能代表宇宙的边缘或最早的宇宙。

2.引力红移

就是从远离强引力场的地方观测,谱线会向长波的方向移动;但须要的引力场极大(约一亿个太阳质量的黑洞),且造成的谱型与类星体的不符。

3.局部红移

认为可能是某些星系高速喷出物质所造成之局部现象(与上述视线之超光速原理相同);支持的证据是,很多星系及类星体常成双或成群出现,而它们之间的红移值截然不同。反对的说法是,也有不少成群协同的类星体、星团和它们的母星系有相同的红移量。

其中以支持赫伯红移理论的证据最为有力─

1.寻找红移与星系相近的低红移类星体:

以z≦0.5为范围,果然找到很多与椭圆或漩涡星系有关而红移相近的类星体;而高红移星系实在太暗,难以测出,不适用此法。

2.双胞胎类星体的证据:

1979年D.Walsh,RFCarswell和RJWeymann吃惊的发现类星体QSO0957+561A及B不但距离极近(5.7"),星等同样是17等,z值同为1.41,甚至完全相同的光谱。令人怀疑他们根本是同一天体,只是被重力透镜影响光线偏折而呈二重像。后来果然在类星体B旁发现一模糊的云雾,测量结果发现它是造成此光学二重像效应z=0.39的中介星系(介于我们与此类星体之间)。此发现意义极重大,不但印证了爱因斯坦广义相对论中重力透镜的预测,而且证明红移大(z=1.41)之类星体在红移小(z=0.39)星系之后,更支持了赫伯红移的理论。

3.重力透镜造成的光变:

当中介星系转动时,由于重力的作用,使其后方类星体之光度发生变化;理论上,我们可从观测到的类星体光变时间及影像空间角度,去推算类星体距离,再去印证赫伯红移所推算之距离是否正确。.可惜,在类星体与我们之间常有无数物质,造成引力的多重影响,而不易以此法测出,有待将来进一步的改良观测技术。

4.吸收线的支持:

类星体中吸收谱线所测得的Zabs与发射谱线的z值不同,一般是Zabs≦Z;如果发射线z值是代表类星体的位置(距离),则其吸收线之Zabs则是类星体和我们之间许多的星际间物质吸收所造成(如图一中Lα森林区,就是Lα线被不同距离物质吸收,所呈多重红移之结果)。当(Z-Zabs)/Z≧0.01,代表是类星体和我们之间许多星系外部的洞区所造成。

此外,我们在高红移类星体吸收线中找到低红移星系(及类星体)之吸收线系统,而在低红移星系吸收线中找不到高红移类星体之吸收线,这可说明高红移星体的确是在低红移星系(类星体)的后面。

另外,一种很像类星体的怪东西,在1929年被发现并定名为BL蝎虎座天体;它的特征就是几乎没有特征。光度变化不规则,只有连续光谱,测不到它的谱线(可能太弱了)。因此,它的距离也很难定出。它那属于非热性之连续光谱在可见光部份比类星体陡。目前已发现100个左右。


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六、结语


到底类星体是个什么样的天体呢?它的外型像恒星,光谱像塞佛特星系,电波性质像电波星系……?而目前的认定是,它是宇宙在大霹雳后,最先形成的「星系」前身。但无疑的,它是一种非常活跃的天体;如果宇宙红移理论确实是对的,那类星体对于我们宇宙将扮演极重大的角色;它代表的是最远,最古老的宇宙。因此能从侧面映整个宇宙的演化。也由于它高度的亮及神秘的吸收线,更是我们研究宇宙中介物质(介于我们和宇宙边缘之间)的最佳利器。


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参考书目

新宇宙论

二十世纪天文学

天文漫谈

牛顿运动定律与相对论

宇宙物理学

星系的世界

天文学讲话

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