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《科学通报》

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类星体的能量之谜

2020-11-25 12:04:00

  类星体,是遥远宇宙中最明亮的一类天体。它发出光学辐射的区域很小,只有几光天到几光年。如此小的发光区域,每秒钟释放的能量却比大小是它几十万甚至千万倍的普通星系还大上千倍。那么,类星体的巨大能量来源是什么呢?超大质量黑洞对周围物质的吸积,是对这个问题的简单回答。那么,黑洞到底如何吸积周围物质?如何产生盘风和喷流,与周围介质相互作用,从而影响寄主星系的演化?《科学通报》2016年第11期Science 125个科学前沿问题系列解读“类星体的能量之谜”。

  类星体的发现

  类星体(Quasar),是“类似恒星的天体(Quasi-stellar object)”的缩写,这类天体获得此名,是因为它们在光学波段的图像看起来是点状源,类似恒星。单看光学图像的观测结果,并不能发现它们的特殊性。而最初发现它们的特殊性,要归功于射电天文学以及光谱观测的进展。

  20世纪50年代,二次世界大战中发展起来的雷达探测技术被用于天文学研究。天文学家发现,有些天体能发出非肉眼可见的射电波段辐射(即无线电波),这类天体被统称为射电源。1950年,英国剑桥大学天文研究所的科学家把已发现的射电源汇编成表,其中天体的编号以剑桥(Cambridge)的首字母C打头。后来出版了第三版《剑桥射电源第三星表》(Third Cambridge Catalogue of Radio Sources),简称为3C表,其中的天体编号以3C作为前缀。这个表收录的射电源更为完整。

  要想知道这些射电源是什么样的天体,天文学家需要依据射电观测提供的射电源位置,搜寻它们的光学对应体。

  1960年,英国天文学家桑德奇(Allan Sandage)等在标号为3C 48的射电源的位置上找到了一个恒星状光学对应体周围有很暗的星云状物质,光学光谱中呈现了几条陌生的发射线,无法证认。两年后,标号为3C 273的射电源的光学对应体也被发现了,它同样呈点状;1963年美国天文学家施密特(Maarten Schmidt)拍摄了它的光学光谱,并发现其与3C 48的光谱相似。

  光谱中这些陌生的宽发射线也终于被施密特证认出来。他指出,最亮的发射线对应的就是氢元素的发射线。只是由于宇宙膨胀,天体在离我们不断远去,这使得我们接收到的光比天体本身发出的光的波长更长(更红),从而导致宽发射线难以证认。我们接收到的光的波长与天体原发光波长之间的差值,等于天体原发光波长与红移值的乘积。1963年,施密特估算出3C 273的红移为0.158。

  随后,一些光学性质相似的射电源相继被发现,这类天体被称为“类星射电源”。除了类星射电源之外,天文学家们还发现了一些光学性质相似的天体,但却不发出射电辐射。因为它们的光学像呈蓝色,所以又名“蓝星体”。

  不论是“类星射电源”还是“蓝星体”,它们都有一个共同点——光学像类似恒星,而光谱显示它们都是有较大红移的银河系外天体,后来就被统称为“类星体”。

  类星体的能源

  类星体的发现带来了一个难题——即类星体的能量之谜。类星体发出的光的强度一般随时间不同都有变化(即光变)。从光变的典型时标,天文学家估计出类星体发出光学辐射的区域很小,只有几光天到几光年。如此小的发光区域,每秒钟释放的能量为什么却比普通星系(尺度约几十万光年)每秒释放出的能量还大上千倍?这使科学家们陷入了沉思。

  不论是3C 273还是3C 48,天文学家均在其点状对应体周围观测到星云状物质。后来发现,星云状结构是来自于类星体寄主星系的星光。这说明了类星体是位于星系中心的核。

  基于它的小尺度和大能量,类星体的能量转换效率远不是恒星内部的核反应所能解释的。后来天文学家发现,这可以用中心致密天体周围的物质所释放出的巨大引力能来解释。但中心致密天体是什么呢?

  直到20世纪80年代,天文学家对于类星体中心天体的本质都还未达成共识。经过30多年的研究后,目前大家普遍相信类星体的能量之源是中心超大质量黑洞对物质的吸积。正如光变研究所表明的,典型的类星体发出光学辐射的区域只有光天量级,如果这对应了一个星团的尺寸,该星团也会因本身致密性而在类星体的活跃时标的下限——108年以内塌缩成黑洞。

  今天我们知道,类星体的本质不是恒星,也不是普通星系,而是属于“活动星系核”(active galactic nucleus或AGN)这一类的天体,而且是活动性最强的一类活动星系核。尽管普通星系和活动星系的中心都存在质量在百万个太阳质量以上的黑洞,但两者是有差异的——主要在于普通星系的中心黑洞周围没有太多物质供它吞噬,所以普通星系中心的发光强度远远低于活动星系。

  目前认为,类星体的结构如图1中的统一模型所示:中心是超大质量黑洞;黑洞的引力使得周围的物质不断向中心下落,这些物质具有初始角动量,因物质之间的粘滞力使得角动量由内向外转移,从而内层物质逐渐向中心坠落。长此以往,周围的物质在中心黑洞周围形成了吸积盘(accretion disk)。而在与吸积盘垂直的方向上,很多类星体存在相对论性的高速喷流(jet),这些喷流往往在射电波段有很强的辐射。


  图1 类星体标准模型示意图。来源:Urry 2004

  超大质量黑洞与其寄主星系的演化

  观测研究表明,近邻星系中心的黑洞质量与它们寄主星系的核球质量、光度或核球内恒星速度弥散之间存在统计相关性,表明星系中心超大质量黑洞的增长与星系的演化密切相关。一方面,寄主星系控制了中心黑洞的食物来源,另一方面,中心黑洞对物质的吸积会产生喷流、盘风和辐射,与寄主星系中星际介质相互作用,从而影响星系中的恒星形成与星系的演化,这种黑洞吸积与星系之间的相互作用称为类星体反馈。而在尺寸上,若将黑洞比作一个硬币,那么寄主星系就相当于一个地球。因此黑洞的反馈机制所影响的范围是其本身大小的上亿倍。

  通过对类星体的研究,可以理解超大质量黑洞是如何形成的,黑洞吸积和类星体反馈在黑洞和寄主星系的共动演化中扮演的角色。

  2015年,北京大学吴学兵领导的国际研究团队宣布发现了目前已知的遥远宇宙中发光本领最强、中心黑洞质量最大的类星体。这颗类星体SDSS J0100+2802红移为6.3,对应于宇宙大爆炸之后9亿年(目前可观测宇宙的年龄约为137亿年),而中心的黑洞质量是120亿倍太阳质量。如果将我们的宇宙比作是一位100岁的老人,那么这个黑洞才只有6岁。6岁的它却拥有超大质量,这对已有的宇宙早期黑洞形成和演化理论提出了挑战。在这些高红移的极亮类星体中,黑洞质量与寄主星系的关联与近邻宇宙很不相同,黑洞的增长很可能超前于寄主星系。


  图2 SDSS J0100+2802是宇宙早期光度最高、黑洞质量最大的类星体

  实际上,类似的挑战曾经也在其他同行的工作中出现,他们发现质量达30亿个太阳质量的黑洞形成于宇宙大爆炸之后10亿年内。这些发现并没有完全推翻现有的黑洞形成和演化理论,而是意味着这些理论需要改进。目前看来在以下两方面需要进一步研究:一是宇宙早期形成的黑洞“种子”的质量可能远远大于以往的估计;二是大质量黑洞吞噬周围物质使自己成长的速度可能远远超过以往的认识。

  理论上亟待解决的问题也有很多,例如:种子黑洞是如何形成的?宇宙早期黑洞是如何增长的?黑洞和其寄主星系在宇宙早期是否协同演化?相当多的问题无不与类星体的能源——黑洞吸积有着紧密联系,在理论上和观测上都需要对黑洞吸积的物理过程开展进一步的研究。由于吸积盘理论已被广泛应用于解释类星体、伽玛射线暴、黑洞X射线双星、原行星盘等的观测现象,对这一理论的研究将极大地促进我们对很多天体物理本质的理解。

文/左文文, 吴学兵

本文来自《科学通报》

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