[科普中國]-活動星系核

背景

1960年代

1960年代類星體發(fā)現(xiàn)以來，又相繼發(fā)現(xiàn)了許多具有類似特征的天體，都是系外星系，統(tǒng)稱為活動星系核。

共同觀測特征主要有：

明亮的致密核區(qū)；

光譜具有很高的紅位移，表明距離遠(yuǎn)在宇宙學(xué)尺度上，同時光度很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的星系。

具有快速的光變，光變時標(biāo)從數(shù)小時到到數(shù)日不等，顯示其尺度只占整個星系的很小一部分。

光譜中有非常寬的發(fā)射線；

具有非熱輻射譜；

具有光學(xué)或射電的噴流現(xiàn)象。

幾十年來發(fā)現(xiàn)的活動星系核種類繁多，包括塞佛特星系、類星體、射電星系、蝎虎座BL型天體等，而且不同種類之間觀測特征相互混雜。長期以來人們一直對它們的機(jī)制和演化感到困惑，投入了大量的人力物力進(jìn)行研究，使得活動星系核成為20世紀(jì)90年代以來天文學(xué)最熱門和最活躍的研究領(lǐng)域之一。目前得到廣泛接受的觀點(diǎn)認(rèn)為，活動星系核由超重黑洞和吸積盤構(gòu)成。依據(jù)理論和觀測研究，人們建立了活動星系核標(biāo)準(zhǔn)模型，即中央是一個超重黑洞，周圍的物質(zhì)受到引力作用下落，在黑洞周圍形成了吸積盤。由于耗散作用氣體被加熱到很高的溫度，并逐漸下落到黑洞中央，并且形成了沿吸積盤法線方向的噴流?；顒有窍岛说挠^測特征主要依賴于中心黑洞、吸積盤的特征以及視線方向。

特征為使活動星系核含義更明確，可采用以下觀測特征加以限定：

1. 有比正常星系更亮的致密核；

2. 在某些不太寬的波段（如射電、光學(xué)、X射線波段等）表現(xiàn)為非恒星的連續(xù)譜；3. 存在原子和離子的發(fā)射譜線；

4. 連續(xù)譜和發(fā)射線的強(qiáng)度、偏振和譜形隨時間變化；

5. 相對于正常星系有更強(qiáng)的高能光子（如X射線，γ射線等）的發(fā)射能力。

具有以上全部或部分特征的核就定義為活動星系核。類星體具有上述全部特征，是活動性最強(qiáng)的活動星系核。蝎虎天體（BL Lac Objects）具有出第三條以外的全部特性，因此也是典型的活動星系核。其他活動星系核都具有第3條觀測特征?？梢姽庾V線性質(zhì)是活動星系核最關(guān)鍵的證認(rèn)。

典型的活動星系核具有以下幾個特點(diǎn)：

1、高光度

光學(xué)光度與普通星系核相差不大，射電光度大約是普通星系的20~2×106倍，而類星體高達(dá)6×106倍。

2、快速光變

光變周期一般在幾天到一年左右，甚至有的活動星系核光變周期只有幾個小時。

3、非熱連續(xù)輻射，高偏振輻射

正常星系的輻射為黑體輻射，最大值位于光學(xué)波段，而活動星系核光譜復(fù)雜，極大值在遠(yuǎn)紅外波段（非

熱輻射）。

4、射電波段有特殊形態(tài)

常有噴流、亮核、不規(guī)則形態(tài)被人們在射電波段觀測到。

5、強(qiáng)發(fā)射線

發(fā)射線來源于中心區(qū)高能輻射對周圍環(huán)境的電離，通常在光譜上表現(xiàn)為金屬線。

6、其宿主星系較為暗淡

愛丁頓臨界值A(chǔ)GN的光度通常在10^11到10^15之間，由光度可以推算其質(zhì)量的下限。這個下限在天文學(xué)上稱做“愛丁頓臨界值”。其含義為：一個穩(wěn)定的輻射源，由質(zhì)量造成的引力不能小于其輻射所具有的外向壓力，否則，引力將不足以維持自身物質(zhì)的聚集而被“吹散”。

AGN的高光度說明了它們具有很大的質(zhì)量，應(yīng)在100萬—100億太陽質(zhì)量，否則與其巨大光度相當(dāng)?shù)膲毫蜁阉形镔|(zhì)吹散。 活動最激烈的星系核當(dāng)屬類星體，它也應(yīng)該有最大的質(zhì)量。從活動星系核和類星體的光變周期，可見它們只有很小的尺度，質(zhì)量與尺度的對比，可以說明在活動星系核，特別是類星體核心有巨型黑洞存在。

活動星系核的分類各種活動星系核的觀測特征依賴于所采用的觀測手段，而不是活動星系核本身。因此各種活動星系核特征往往相互混雜在一起。雖然如此，它們大體上可分為如下幾類：

類星體（QSO）：具有非常大的紅移，光度很高，光譜中有發(fā)射線，可見光波段為冪律譜，多數(shù)有X射線輻射，少部分具有很強(qiáng)的射電輻射。其中有強(qiáng)烈射電輻射的稱為射電噪(radio loud)類星體，射電輻射很弱的稱為射電寧靜(radio quiet)類星體(QSOs)，也有人用Quasar表射電噪類星體。

賽弗特星系（Seyfert galaxies）：最早被證認(rèn)的活動星系核。特點(diǎn)是核的亮度高，具有強(qiáng)的高電離發(fā)射線，譜線很寬，強(qiáng)大、變化的X射線，很強(qiáng)的紅外輻射，大部分為漩渦星系，也有不規(guī)則星系。根據(jù)發(fā)射線的寬度、形狀可分為Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型塞弗特星系具有寬的發(fā)射線，Ⅱ型只具有窄的發(fā)射線。進(jìn)一步還可以劃分成1.5、1.8、1.9等類型。2

窄線X射線星系（NLXG）：具有高電離發(fā)射線，類似塞弗特星系，但光度較低。被認(rèn)為是光譜受到星系內(nèi)塵埃消光的塞弗特星系。

低電離星系核（LINER）：核光度比較低，具有低電離的核發(fā)射線區(qū)，有時發(fā)現(xiàn)為低光度的2型塞弗特星系。

蝎虎座BL型天體（BL Lac Objects）：星系核非常亮，短時間曝光和恒星很類似。光度具有很快的變化，射電輻射有很強(qiáng)的偏振，光譜中既沒有吸收線也沒有發(fā)射線，因此其紅移只能從宿主星系的光譜推斷出來。

光學(xué)劇變類星體（OVVs）：光度具有很快的變化，往往是強(qiáng)射電源。與蝎虎座BL型天體合稱耀變體（Blazar）。

射電星系（Radio Galaxy）：具有很強(qiáng)的射電輻射，大部分有兩個輻射源，稱為雙源型射電星系。通常為橢圓星系。根據(jù)發(fā)射線的寬度大體可分為寬線射電星系（BLRG）和窄線射電星系（NLRG）。

星爆星系（Starburst Galaxies）：具有巨大的恒星形成區(qū)，紅外光度高于可見光光度，大部分為旋渦星系。屬于活動星系，但與活動星系核的關(guān)系尚無定論。

除此之外還有馬卡良天體（Markarian Objects）、茲威基星系（Zwicky Galaxies）、N星系（N Galaxies）、高偏振類星體（HPQ）、低光度活動星系核（MAGN）、熱星體（Warmer）、極亮遠(yuǎn)紅外星系（Ultraluminours Far-Infrared Galaxies）等。

根據(jù)射電波段的輻射，還可以方便的分為射電寧靜活動星系核與射電噪活動星系核兩大類。其中，射電寧靜活動星系核包括：低電離核區(qū)、西佛星系、以及部分類星體，射電噪活動星系核包括射電噪類星體、耀變體（包括蝎虎座BL型天體和光學(xué)劇變類星體）、射電星系等。

黑洞-吸積盤模型黑洞-吸積盤模型是得到廣泛承認(rèn)的活動星系核標(biāo)準(zhǔn)模型。在這個模型中，活動星系核的“中央引擎”是一個超大質(zhì)量黑洞。在引力的作用下，黑洞周圍的氣體朝黑洞下落。由于具有角動量，物質(zhì)形成了一個圍繞黑洞的吸積盤。吸積盤中具有耗散作用，氣體會被加熱到很高的溫度，同時不斷損失角動量，逐漸下落到黑洞中央，與此同時釋放出巨大的引力能，以電磁波的形式輻射出來，其中主要是非熱輻射。當(dāng)黑洞的吸積率很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過星系的其他部分時，就表現(xiàn)為活動星系核。隨著黑洞周圍的物質(zhì)逐漸耗盡，核心的光度減小，活動星系演化為正常的星系。吸積盤兩端沿法線方向形成高速噴流，這一過程中，磁場扮演了很重要的角色。當(dāng)噴流的方向與觀測者視線方向夾角很小時，還會觀測到視超光速現(xiàn)象。

活動星系核的統(tǒng)一模型活動星系核的統(tǒng)一模型試圖將兩種或兩種以上的活動星系核用一個模型進(jìn)行描述，不同類型的活動星系核只是由于觀測視角的不同，射電平靜(radio-quiet)活動星系核與射電噪(radio-loud)活動星系核分別具有各自的統(tǒng)一模型：電波弱統(tǒng)一模型和電波強(qiáng)統(tǒng)一模型。電波弱統(tǒng)一模型認(rèn)為西佛Ⅰ型星系是直接觀察到的光度較低的活動星系核本身，西佛Ⅱ型星系則是由于視線方向上受到了環(huán)繞在吸積盤周圍的遮蔽環(huán)的阻擋。如果活動星系核的光度較高，直接觀測到的就不是西佛I型星系而是類星體。電波強(qiáng)統(tǒng)一模型主要關(guān)注于高光度的電波強(qiáng)類星體，它們能夠與窄發(fā)射線電波星系用類似電波弱統(tǒng)一模型的方式統(tǒng)一在一起，即電波星系被遮蔽環(huán)擋住了視線，而類星體沒有。如果視線方向與噴流夾角非常小，則會觀察到蝎虎座BL型天體類星體(blazar)。