活动星系模型
导语:活动星系和类星体的巨大能量之谜困扰了天文学家几十年。现在普遍认为它们的能量来自星系中心高速旋转的超大质量黑洞。
20世纪20年代后，天文学家终于意识到，在银河系之外的浩瀚太空中，散布着无数大小不一、形状各异的星系。然而，直到20世纪中期，天文学家都认为星系是相当平静的，只有罕见的超新星爆发，其光度与整个星系相同，偶尔会突破宇宙深处的寂静。随着射电天文学的发展，天文学家发现了我们银河系中心的射电源和许多星系中的强射电源。值得注意的是，这些河外射电源在射电波段发出的能量比银河系中心多得多，从此揭开了了解星系活动的序幕。
此后，随着空间天文学的发展，在红外和X波段探测到了星系的活动，特别是与某些类型星系的核有关的活动。这样，天文学家意识到星系的活动是相当普遍的。但是大部分星系(约98%)的活跃程度很低，比如我们的银河系，我们称之为正常星系。只有2%的星系是活跃的，被归类为活动星系。
正常星系是由大量恒星受引力束缚而形成的天体群。它的辐射大部分是恒星发出的，辐射主要集中在光学波段。活动星系辐射从无线电到伽马射线的整个电磁波范围。而且在射电、红外、紫外和X射线波段发射的能量大于光学波段，说明这些辐射是大量非恒星物质发射的。在活动星系的特殊物理条件下，这些物质正在大规模地吸积、湍流和爆发。在一些活动星系附近观测到喷流结构，显然是由星系抛出的物质形成的。活动星系的类型有很多种，但至今没有统一准确的分类。Buthus BL天体、Seyfert星系和射电星系是其中的一些主要类型。
1929年，天蝎座发现一个天体，光变非常快。它的视星等在14到16之间波动，偶尔可以增亮到13，即可见光波段的亮度变化约为15倍，一天内可以变化10% ~ 32%。起初天文学家以为是变星，按照变星的命名方法，称之为天蝎座BL。在天蝎座BL的光谱中观察到微弱的吸收线，这些吸收线是由天体周围的星云物质产生的。根据哈勃定律，测得的谱线红移为590 MPC(1 MPC = 3.26×106光年)。现在天文学家掌握了强有力的证据，可以确认它是一个河外天体。后来又发现了300多个与东亚钳蝎BL具有相同特征的天体，俗称东亚钳蝎BL型天体。天蝎座BL形天体的* * *相同特征如下:一般呈星形，看不出结构，但部分有微弱的包层；射电、红外和可见光波段的亮度变化很快，时间尺度从几天到几个月；光谱中既没有吸收线，也没有发射线，只有连续的辐射光谱，没有特征；许多都是致密的射电源，其核心有很强的无线电辐射。
1943年，美国天文学家C.K .赛弗特(C.K.Seyfert)在光谱中发现了6个发射线异常宽的螺旋星系，后来证实它们是一种活动星系，被命名为赛弗特星系。它们是旋涡星系，具有异常明亮的核，几乎占据了星系发出的所有光线，在短时间曝光的胶片上很容易被误认为是恒星，而在长时间曝光的胶片上则揭示了核周围朦胧的旋涡结构。星系核内充满电离气体，质量为10至103太阳质量，离子密度为107/cm3 ~ 109/cm3，气体随机高速运动，速度为103 km/sec。这个速度可能是剧烈爆炸造成的。赛弗特星系比正常的螺旋星系具有更强的射电发射和红外辐射，一些赛弗特星系已经探测到了X射线辐射。
自20世纪40年代以来，射电天文学家已经发现了数万个射电源。起初，一些最强的信号源是用星座名称后跟一个大的拉丁字母来表示的。比如天鹅座的强射电源叫天鹅A，室女座的强射电源叫室女座A..大部分射电源位于河外，其中约1/3 ~ 1/2已被确认为星系。
射电辐射强(高于1034瓦)的星系称为射电星系。它们在无线电波段的辐射功率不仅远大于正常星系，也远大于它们在光学波段的辐射功率。这些星系大多是椭圆星系。主要类型有袁爽型和密集型。一个典型的袁爽型射电星系在星系中心附近有一个小型射电源，但在远离星系本身的地方有两个大型射电源。这两个源，或者说射电波瓣，宽度可能是105秒差距~ 107秒差距和104秒差距~ 106秒差距。有时可以看到多对花瓣。这些源的结构表明，它们指向星系的中心，实际上是从星系中喷射出来的物质。每个射电波瓣都是一个带有磁场的高能电子云。射电波瓣远离中央星系，前端面对浩瀚的星系空间，压缩巨量的星系物质，引起剧烈碰撞，前端形成热点。X射线探测卫星的观测表明，它们也是强X射线源。一个典型的射电波瓣所储存的能量，大约相当于银河系所有恒星1亿年所辐射的能量！
射电源天鹅A发现于1948年，1954年被证实为河外星系，亮度为16等。它距离银河系7.34亿光年，辐射功率比银河系强约107倍。它是已知最强的河外射电源，也是第一个被发现的射电星系。半人马座A是最近的射电星系，距离1，065，438+0亿光年。虽然没有天鹅A那么厉害，但是其他方面也差不多。它们是袁爽型射电星系的典型例子。致密射电星系的射电发射区通常很小，并不比星系在底片上的光学图像范围大。有些甚至不超过几光年。M87是一个巨大的椭圆星系，位于室女座星系团的中心附近，是室女座的光学对应物。它的直径为50万光年，距离地球6500万光年，在天空中的张角超过半度(大约相当于一轮满月的大小)。它是一个典型的致密射电星系。
1960年，天文学家发现射电源3C 48的光学对应体是一个恒星状天体，视星等为16，周围环绕着黑暗星云物质。令人费解的是，光谱中有几条完全不熟悉的谱线。1962年，在射电源3C 273的位置发现了另一颗星等为13的“恒星”。天文学家同样对他们光谱中不寻常的谱线感到困惑。
1963，终于有人认清了3C 273谱线的本来面目。原来是氢原子的谱线，但是经历了很大的红移，导致谱线很难识别。顺着红移的线索，对3C 48的光谱进行分析，得出其红移更大的结论。假设红移是多普勒效应引起的，3C 273和3C 48都有很大的倒退速度，分别达到光速的1/6和1/3。天文学家给这种在光学照片上看起来像恒星的天体命名，但其本质却大相径庭。进一步的观测和研究揭示了另一种天体，它也与恒星非常相似，有很大的红移，但没有射电发射，因此被称为射电宁静类星体。后来，这两者都被称为类星体。
类星体到底是什么？这给天文学家提出了一个难题。在它们被发现后的几十年里，争论并没有完全平息。争论的焦点是类星体谱线红移的原因。大多数人主张“宇宙学红移”，即类星体位于银河系外遥远的宇宙深处，距离越远，红移越大。如果类星体真的如此遥远，那么还有一个问题，那就是如何解释它们巨大的能量输出。类星体的发射功率比普通旋涡星系大102 ~ 104倍。更令人惊讶的是，发出能量的区域非常小，其直径只有光甚至光的数量级。类星体能在如此小的体积内释放出如此大的能量，这在当时是个谜。另一种观点认为，类星体是由银河系或其他河外星系抛出的天体，它们在抛射中获得很大的速度。速度越大，红移越大。
将类星体与Buthus BL天体、Seyfert星系、射电星系等活动星系进行比较，发现有许多相似的观测特征，尤其是对射电星系的认识，足以让天文学家认识到类星体是同一现象的不同表现。此外，自20世纪80年代以来，大量的宇宙高能现象被观测和了解，类星体的能量问题也可以得到合理的解释。
红移是宇宙学红移的前提下，红移由大变小意味着天体由年轻变老。就红移而言，类星体最大，其次是Buthus BL天体和Seyfert星系，射电星系最小。由此，可以大致排出一个演化序列:类星体、Buthus BL天体、赛弗特星系和射电星系，结束于正常星系。
如前所述，活动星系(包括类星体)仅占星系总数的2%左右，这说明星系从诞生到“成熟”的演化过程，活动阶段在其一生中经历的时间很短。所以类星体是正常星系的婴儿期。那么类星体就是极其活跃的星系核。它们周围有银河盘。由于一般类星体距离太远，银盘显得非常暗淡，角直径太小，无法观测到。事实上，对于一些相对较近的类星体，如3C 273，已经发现了星系盘的证据。
活动星系和类星体的剧烈活动起源于中央小核。那么，相对于整个星系，如何在如此小体积的星系核中释放出如此巨大的能量，就很难解释了。这个问题困扰天体物理学家很久了。人们普遍认为，几乎每个大型正常星系的中心都包含一个超大质量黑洞。越来越多的观察证据支持这一假设。天文学家使用美国新墨西哥的VLA(甚大阵列射电望远镜)结合VLBA(甚长基线干涉测量阵列)对100个邻近星系进行了完整的巡天，发现至少30%的样本显示出微小致密的中央射电源，具有类星体现象的独特特征。
此外，宇宙的背景也充满了微弱的X射线辉光，覆盖了整个天空。与微波背景辐射不同，微波背景辐射是大爆炸的残余，X射线烟雾中的光子能量太高，无法在早期宇宙中产生。而且微波背景辐射呈现基本均匀连续的分布，这种全天分布的X射线辐射是无数离散源的贡献。美国钱德拉X射线天文台装有掠射X射线成像望远镜，原名高级X射线天体物理卫星，1999年由航天飞机发射升空。它被重新命名是为了纪念已故的印度裔美国诺贝尔奖获得者苏拉特·马年·钱德拉塞卡。它曾经对选定的天空区域进行深度曝光，并能够将至少80%的X射线辉光分解为一个点光源。由此外推至整个天空，显示总共有7000万左右。然后对这些天体中的一部分进行跟踪研究，探测它们在其他波段的辐射，得出其中一部分是相当正常的星系的结论。它们有布满灰尘、发射X射线的原子核——这是中央黑洞的标志。
一般认为，如此巨大的能量源是因为星系中央隐藏着一个高速旋转的超大质量黑洞，其质量至少是太阳的107倍。黑洞以其巨大的引力吸引周围的物质，并螺旋下降到那里，在其周围形成吸积盘。圆盘中的气体被压缩和加热。当温度超过1亿K时，会形成一个很强的辐射场，使高能等离子体喷流以接近光速的速度从核心喷射到垂直于盘面的两极。