什么叫类星体？

最佳答案 - 由投票者2007-01-17 10:42:12选出

20世纪上半叶，天文学家发现了河外星系，并在此基础上搭建了现代宇宙观的基本结构。此时，天文观测手段已经历了3个世纪的不断改良与革新，观察视界已扩展到银河系外距离以亿光年计的地方。于是，到20世纪60年代，人类自以为是的老毛病又犯了，一些天文学家自信地认为，人类对恒星、星系的了解，已基本涵盖了宇宙中的各类天体，天空中不会再的令人震惊的新天体被发现了。然而面对科学，人类永远不能说“大功告成”。在宇宙深处，还有不知多少神秘的星辰默默运转着，并不在意人类是否了解它们。
就在60年代，一种闪着耀眼光芒的古怪天体出现在人类眼前。此后30年里，科学家对它的身份来历进行了种种猜测和争执，却始终莫衷一是，得不出任何有说服力的结论，因此，这种被称为“类星体”的天体，在现代天文学中占据了十分独特的地位。
类似恒星的天体
诞生于20世纪30年代的射电天文观测技术，具有比光学观测手段更高的分辨率、更大的观测范围。天文学家利用它对深空中的射电源进行研究，并发现射电信号主要是由湍动的气体产生的。部分射电源基本可以被认为来自含有这类气体的天体，如星云、超新星遗迹、远星系等。
然而，有些射电源看上去异乎寻常的小，难以归入此类，被称为射电致密源。随着射电望远镜越来越精密，对射电致密源的观测也越来越清晰，人们开始发现，射电辐射也可能是由单个恒星发射出来的。在英国天文学家M·赖尔及其同事编制的“剑桥第三射电星表”（3C）中，就有几个明显的射电致密源，如3C48、3C147、3C196、3C273和3C286。
1960年，美国天文学家桑德奇利用5 m口径的望远镜，对这几个射电致密源所在的天区进行了仔细搜寻，发现每个区域中都有一颗恒星——至少在照相底片上，它们看起来与恒星很相似——好像就是射电源的光学对应体。被探测到的第一颗这类恒星是与3C48射电源相关的恒星。分光探测表明，它的光谱中有许多陌生的强而宽的发射线，看不出这些谱线对应何种元素，此事令天文学界大为困惑。 1963年，射电源3C273的光学对应体被确认，它是一个与13星等的恒星类似的天体，其光谱与3C48很相似，同样难以辩认。荷兰天文学家M·斯米特对3C273进行了仔细研究，发现其光谱的6条谱线中有4条的排列方式与氢光谱十分相似，但离氢谱线应该存在的位置太远。
斯米特大胆地判断，这些奇怪的谱线并非对应某种未知元素，它就是最普通的氢元素的发射线，只不过红移得很厉害。根据计算，3C273光谱的红移程度为0.158，即波长宽了15.8%。虽然这第大的红移表示该天体退行速度大得有些难以想象，但它可以很好地把3C273的6条谱线解释为氢、氧、镁的光谱。所以人们很快就接受了这种说法，至此，困扰天文学界三年之久的谜被揭开了。随后，3C48的谱线也得到了确认，它的红移更大，达到0.367——这也难怪人们早先不敢认了。此后发现的其它同类天体光谱也是如此，只要假设存在巨大的红移，便可轻易地解释其谱线对应何种元素。
这些有关的天体以前早就被人们以光学手段记录下来，并被认为是银河系中普通的暗弱恒星，实际上它们是强射电源。详细的拍照研究表明，射电致密源虽然在照相底片上看起来很像恒星，但终归不是普通的恒星。天文学家把它们命名为“Quasar”，即英文“类恒星射电源”的缩写。
此后，又发现了一些光学性质与3C48、3C273相似的天体，但它们并不发出射电辐射，这类天体被称为蓝星体。类恒星射电源和蓝星体被归为一类，英文名称仍为“Quasar”，但含义扩大为“类似恒星的天体”，简称为“类星体”。这个名字虽有些拗口，却很快被天文学界接受了。
古怪的特性
类星体是20世纪60年代最重要的天文发现，引起了一阵观测类星体的热潮。60年代末期，在一次大规模集中搜寻中，就发现了150个类星体。到70年代末，已观测到的类星体就超过了1000个，其中约1/3为类恒星射电源。据估计，我们能够观测到的类星体至少数以万计。迄今，人们虽仍未弄清类星体真正的身份，对其热衷程度却未减，哈勃望远镜等重要的当代天文设备，都以观测类星体为其重要任务之一。
总结起来，类星体大致有如下特点：
1、类星体在照相底片上呈现类似恒星的像，即星状的小点，这表示它们的体积较小。极少数类星体被暗弱的星云状物质所包围，如3C48；另有些类星体会喷射出小股的物质流，例如3C273。
2、类星体光谱中有许多强而宽的发射线，最常出现的是氢、氧、碳、镁等元素的谱线。氦线一般非常弱或者没有，这表明类星体中氦元素含量很少。现在一般认为，类星体光谱的发射线产生于一个气体包层，产生的过程与普通的气体星云类似。光谱发射线很宽，说明气体包层中一定存在强烈的湍流运动。有些类星体的光谱是有很锐的吸收线，说明产生吸收线的区域内湍流运动速度很小。
3、类星体发出很强的紫外线辐射，因此颜色显得很蓝（这也是为什么非射电源类星体被称为蓝星体）。光学波段的辐射是偏振的，具有非热辐射的特性。此外，类星体的红外辐射也非常强。
4、类恒星射电源发出强烈的非热辐射。射电结构一般呈双源型，少数呈复杂结构，也有少数是非常致密的单源型。致密单源的位置基本与光学源重合。
5、类星体一般都有光变。大部分类星体的光度都在几看里发生明显变化，也有少数类星体的光变非常剧烈，在几个月甚至几天里光度变化就很大。类星射电源的射电辐射也经常发生变化。光学辐射和射电辐射的变化并无明显周期性。
6、类星体光谱的发射线都有巨大的红移。红移最大的类星体，发射谱线波长能够扩大好向导倍。对于有吸收线的类星体，吸收线的红移程度一般小于发射线的红移。有些类星体有好几组吸收线，分别对应于不同的红移，称为多重红移。
7、一些类星体还发出很强的X射线。
咫尺或天涯
红移是河外天体光谱的共同特征，没什么稀奇。但类星体的红移烊在太大了，按多普勒效应的公式计算，红移最大的类星体，正以0.9c（c为光速）的速度远离我们而去，实在是太惊人了。
如果认为类星体的红移就是宇宙膨胀产生的红移，依照哈勃定律把红移换算成距离，就可以发现类星体距离我们有几十亿甚至上百亿光年，属于最遥远的天体。大部分天文学家都这样认为。近几年还有科学家表示，他们通过在电磁波的非可见光波段对类星体进行探测，测得它们与地球之间的距离与利用光学手段测得的结果非常相似，高达近百亿光年。
但如果类星体真这么远的话，有一些现象就很难解释。例如，在如此遥远的距离上，类星体还显得这么亮，那么其光度必定高达一个普通星系总光度的几十到上百倍，比1000颗超新星同时爆发还要亮。
如果类星体真有星系的形式和外表，那么它其中的恒星数目应是普通星系的上百倍，尺度也比普通星系大好几倍。这样，即使与我们相隔遥远的距离，类星体在大型望远镜里也应该表现出星系的形状，即清晰的卵形光斑。然而，即使用最强大的望远镜，观测到的类星体仍然是星状的点。因此，尽管它们特别明亮，但体积应比普通星系小得多。
类星体光度的变化也从另一方面证明其体积应该很小。前面说过，大多数类星体的光度在很短时间（几年、几个月甚至几天）里就会发生较大的变化。较小的光度变化可能是天体局部增亮或变暗造成的，但光度变化较大，则一这与整个天体有关。这样，在发生变化的时间里，促使光度发生变化的效应一定会传播整个天体范围内。但任何效应的传播速度都不可能超过光速，因此如果一个类星体的光度在一年的时间里发生明显变化，则其直径不可能超过1光年。事实上，有些类星体的直径甚至小到只有几个光日（几千亿公里）。
体积如此小却又如此明亮的天体，其挥霍自身能源的速度一定非常惊人，因此必定活不了太长（除非有某种迄今未被发现的能源，当然这也不是不可能）。一些计算表明，一个类星体以如此大的速度放出能量，只能维持100万年左右。这样，我们看到的类星体，只是它们刚形成不久（宇宙尺度上的不久，譬如几十万年）时的样子，这些光线花费了数十亿年的时间才到达我们这里。现在它们早就不是类星体了。
对于这种极远、极亮、极小的天体，我们还拿不出有说服力的解释，因此有一批天文学家认为，类星体并非那么遥远。他们提出，类星体的红移并非宇宙膨胀造成的，河外天体普遍具有的红移（即宇宙学红移），而是某种局部原因造成的。譬如在巨大的星系爆发中，被以极高的速度从星系核里喷射出来；或者附近有某种大质量的天体，使类星体在其引力的作用下高速运动，出现所谓引力红移。甚至还有人认为，类星体的红移是由某种未知的物理规律造成的，这就从根本上向现代物理学提出了挑战。
类星体距离并不遥远的观点，很可以解决它的亮度和体积问题；既然并不远，就不存在以极小体积产生巨大能量这回事了。此观点最热心的支持者是美国天文学家阿普。他提出，有些类星体似乎与附近的星系存在物理上的联系。如果真有联系，那么类星体与星系所处的位置（即与地球距离）应是一样的。既然星系的红移比较小，所以类星体巨大的红移肯定不是宇宙学红移，而是出于其它原因。
另一个令人困扰的问题，是20世纪70年代末期的一项发现：类星体内部的射电源似乎正以几倍于光速的速度彼此分离，最大的可达光速的10倍。按照目前的理论，超过光速的速度是不可能的。假如类星体真的那么遥远，那么这种超光速就可能真的存在，现代理论物理须做重大改写，如果类星体实际上距离比较近，计算出的分离速度就会小于光速，与理论不矛盾。
然而这些说法都不足以打倒类星体是最遥远的天体的观点。一方面，天文观测的结果更多地支持类星体距离遥远的说法，阿普普类星体与星系存在物理联系的证据并不充分，另一方面，“超光速分离”是一种光学假象，有人对此已提出了似乎合理的解释。