類星體的能量之謎

2020-11-28 中國數字科技館

類星體，是遙遠宇宙中最明亮的一類天體。它發出光學輻射的區域很小，只有幾光天到幾光年。如此小的發光區域，每秒鐘釋放的能量卻比大小是它幾十萬甚至千萬倍的普通星系還大上千倍。那麼，類星體的巨大能量來源是什麼呢?超大質量黑洞對周圍物質的吸積，是對這個問題的簡單回答。那麼，黑洞到底如何吸積周圍物質?如何產生盤風和噴流，與周圍介質相互作用，從而影響寄主星系的演化?《科學通報》2016年第11期Science 125個科學前沿問題系列解讀「類星體的能量之謎」。

類星體的發現

類星體(Quasar)，是「類似恆星的天體(Quasi-stellar object)」的縮寫，這類天體獲得此名，是因為它們在光學波段的圖像看起來是點狀源，類似恆星。單看光學圖像的觀測結果，並不能發現它們的特殊性。而最初發現它們的特殊性，要歸功於射電天文學以及光譜觀測的進展。

20世紀50年代，二次世界大戰中發展起來的雷達探測技術被用於天文學研究。天文學家發現，有些天體能發出非肉眼可見的射電波段輻射(即無線電波)，這類天體被統稱為射電源。1950年，英國劍橋大學天文研究所的科學家把已發現的射電源彙編成表，其中天體的編號以劍橋(Cambridge)的首字母C打頭。後來出版了第三版《劍橋射電源第三星表》(Third Cambridge Catalogue of Radio Sources)，簡稱為3C表，其中的天體編號以3C作為前綴。這個表收錄的射電源更為完整。

要想知道這些射電源是什麼樣的天體，天文學家需要依據射電觀測提供的射電源位置，搜尋它們的光學對應體。

1960年，英國天文學家桑德奇(Allan Sandage)等在標號為3C 48的射電源的位置上找到了一個恆星狀光學對應體周圍有很暗的星雲狀物質，光學光譜中呈現了幾條陌生的發射線，無法證認。兩年後，標號為3C 273的射電源的光學對應體也被發現了，它同樣呈點狀;1963年美國天文學家施密特(Maarten Schmidt)拍攝了它的光學光譜，並發現其與3C 48的光譜相似。

光譜中這些陌生的寬發射線也終於被施密特證認出來。他指出，最亮的發射線對應的就是氫元素的發射線。只是由於宇宙膨脹，天體在離我們不斷遠去，這使得我們接收到的光比天體本身發出的光的波長更長(更紅)，從而導致寬發射線難以證認。我們接收到的光的波長與天體原發光波長之間的差值，等於天體原發光波長與紅移值的乘積。1963年，施密特估算出3C 273的紅移為0.158。

隨後，一些光學性質相似的射電源相繼被發現，這類天體被稱為「類星射電源」。除了類星射電源之外，天文學家們還發現了一些光學性質相似的天體，但卻不發出射電輻射。因為它們的光學像呈藍色，所以又名「藍星體」。

不論是「類星射電源」還是「藍星體」，它們都有一個共同點——光學像類似恆星，而光譜顯示它們都是有較大紅移的銀河系外天體，後來就被統稱為「類星體」。

類星體的能源

類星體的發現帶來了一個難題——即類星體的能量之謎。類星體發出的光的強度一般隨時間不同都有變化(即光變)。從光變的典型時標，天文學家估計出類星體發出光學輻射的區域很小，只有幾光天到幾光年。如此小的發光區域，每秒鐘釋放的能量為什麼卻比普通星系(尺度約幾十萬光年)每秒釋放出的能量還大上千倍?這使科學家們陷入了沉思。

不論是3C 273還是3C 48，天文學家均在其點狀對應體周圍觀測到星雲狀物質。後來發現，星雲狀結構是來自於類星體寄主星系的星光。這說明了類星體是位於星系中心的核。

基於它的小尺度和大能量，類星體的能量轉換效率遠不是恆星內部的核反應所能解釋的。後來天文學家發現，這可以用中心緻密天體周圍的物質所釋放出的巨大引力能來解釋。但中心緻密天體是什麼呢?

直到20世紀80年代，天文學家對於類星體中心天體的本質都還未達成共識。經過30多年的研究後，目前大家普遍相信類星體的能量之源是中心超大質量黑洞對物質的吸積。正如光變研究所表明的，典型的類星體發出光學輻射的區域只有光天量級，如果這對應了一個星團的尺寸，該星團也會因本身緻密性而在類星體的活躍時標的下限——108年以內塌縮成黑洞。

今天我們知道，類星體的本質不是恆星，也不是普通星系，而是屬於「活動星系核」(active galactic nucleus或AGN)這一類的天體，而且是活動性最強的一類活動星系核。儘管普通星系和活動星系的中心都存在質量在百萬個太陽質量以上的黑洞，但兩者是有差異的——主要在於普通星系的中心黑洞周圍沒有太多物質供它吞噬，所以普通星系中心的發光強度遠遠低於活動星系。

目前認為，類星體的結構如圖1中的統一模型所示：中心是超大質量黑洞;黑洞的引力使得周圍的物質不斷向中心下落，這些物質具有初始角動量，因物質之間的粘滯力使得角動量由內向外轉移，從而內層物質逐漸向中心墜落。長此以往，周圍的物質在中心黑洞周圍形成了吸積盤(accretion disk)。而在與吸積盤垂直的方向上，很多類星體存在相對論性的高速噴流(jet)，這些噴流往往在射電波段有很強的輻射。

圖1 類星體標準模型示意圖。來源：Urry 2004

超大質量黑洞與其寄主星系的演化

觀測研究表明，近鄰星系中心的黑洞質量與它們寄主星系的核球質量、光度或核球內恆星速度彌散之間存在統計相關性，表明星系中心超大質量黑洞的增長與星系的演化密切相關。一方面，寄主星系控制了中心黑洞的食物來源，另一方面，中心黑洞對物質的吸積會產生噴流、盤風和輻射，與寄主星系中星際介質相互作用，從而影響星系中的恆星形成與星系的演化，這種黑洞吸積與星系之間的相互作用稱為類星體反饋。而在尺寸上，若將黑洞比作一個硬幣，那麼寄主星系就相當於一個地球。因此黑洞的反饋機制所影響的範圍是其本身大小的上億倍。

通過對類星體的研究，可以理解超大質量黑洞是如何形成的，黑洞吸積和類星體反饋在黑洞和寄主星系的共動演化中扮演的角色。

2015年,北京大學吳學兵領導的國際研究團隊宣布發現了目前已知的遙遠宇宙中發光本領最強、中心黑洞質量最大的類星體。這顆類星體SDSS J0100+2802紅移為6.3，對應於宇宙大爆炸之後9億年(目前可觀測宇宙的年齡約為137億年)，而中心的黑洞質量是120億倍太陽質量。如果將我們的宇宙比作是一位100歲的老人，那麼這個黑洞才只有6歲。6歲的它卻擁有超大質量，這對已有的宇宙早期黑洞形成和演化理論提出了挑戰。在這些高紅移的極亮類星體中，黑洞質量與寄主星系的關聯與近鄰宇宙很不相同，黑洞的增長很可能超前於寄主星系。

圖2 SDSS J0100+2802是宇宙早期光度最高、黑洞質量最大的類星體

實際上，類似的挑戰曾經也在其他同行的工作中出現，他們發現質量達30億個太陽質量的黑洞形成於宇宙大爆炸之後10億年內。這些發現並沒有完全推翻現有的黑洞形成和演化理論，而是意味著這些理論需要改進。目前看來在以下兩方面需要進一步研究：一是宇宙早期形成的黑洞「種子」的質量可能遠遠大於以往的估計;二是大質量黑洞吞噬周圍物質使自己成長的速度可能遠遠超過以往的認識。

理論上亟待解決的問題也有很多，例如：種子黑洞是如何形成的?宇宙早期黑洞是如何增長的?黑洞和其寄主星系在宇宙早期是否協同演化?相當多的問題無不與類星體的能源——黑洞吸積有著緊密聯繫，在理論上和觀測上都需要對黑洞吸積的物理過程開展進一步的研究。由於吸積盤理論已被廣泛應用於解釋類星體、伽瑪射線暴、黑洞X射線雙星、原行星盤等的觀測現象，對這一理論的研究將極大地促進我們對很多天體物理本質的理解。

文/左文文, 吳學兵

本文來自《科學通報》

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