[科普中国]-活动星系核

背景

1960年代

1960年代类星体发现以来，又相继发现了许多具有类似特征的天体，都是系外星系，统称为活动星系核。

共同观测特征主要有：

明亮的致密核区；

光谱具有很高的红位移，表明距离远在宇宙学尺度上，同时光度很高，远远高于普通的星系。

具有快速的光变，光变时标从数小时到到数日不等，显示其尺度只占整个星系的很小一部分。

光谱中有非常宽的发射线；

具有非热辐射谱；

具有光学或射电的喷流现象。

几十年来发现的活动星系核种类繁多，包括塞佛特星系、类星体、射电星系、蝎虎座BL型天体等，而且不同种类之间观测特征相互混杂。长期以来人们一直对它们的机制和演化感到困惑，投入了大量的人力物力进行研究，使得活动星系核成为20世纪90年代以来天文学最热门和最活跃的研究领域之一。目前得到广泛接受的观点认为，活动星系核由超重黑洞和吸积盘构成。依据理论和观测研究，人们建立了活动星系核标准模型，即中央是一个超重黑洞，周围的物质受到引力作用下落，在黑洞周围形成了吸积盘。由于耗散作用气体被加热到很高的温度，并逐渐下落到黑洞中央，并且形成了沿吸积盘法线方向的喷流。活动星系核的观测特征主要依赖于中心黑洞、吸积盘的特征以及视线方向。

特征为使活动星系核含义更明确，可采用以下观测特征加以限定：

1. 有比正常星系更亮的致密核；

2. 在某些不太宽的波段（如射电、光学、X射线波段等）表现为非恒星的连续谱；3. 存在原子和离子的发射谱线；

4. 连续谱和发射线的强度、偏振和谱形随时间变化；

5. 相对于正常星系有更强的高能光子（如X射线，γ射线等）的发射能力。

具有以上全部或部分特征的核就定义为活动星系核。类星体具有上述全部特征，是活动性最强的活动星系核。蝎虎天体（BL Lac Objects）具有出第三条以外的全部特性，因此也是典型的活动星系核。其他活动星系核都具有第3条观测特征。可见光谱线性质是活动星系核最关键的证认。

典型的活动星系核具有以下几个特点：

1、高光度

光学光度与普通星系核相差不大，射电光度大约是普通星系的20~2×106倍，而类星体高达6×106倍。

2、快速光变

光变周期一般在几天到一年左右，甚至有的活动星系核光变周期只有几个小时。

3、非热连续辐射，高偏振辐射

正常星系的辐射为黑体辐射，最大值位于光学波段，而活动星系核光谱复杂，极大值在远红外波段（非

热辐射）。

4、射电波段有特殊形态

常有喷流、亮核、不规则形态被人们在射电波段观测到。

5、强发射线

发射线来源于中心区高能辐射对周围环境的电离，通常在光谱上表现为金属线。

6、其宿主星系较为暗淡

爱丁顿临界值AGN的光度通常在10^11到10^15之间，由光度可以推算其质量的下限。这个下限在天文学上称做“爱丁顿临界值”。其含义为：一个稳定的辐射源，由质量造成的引力不能小于其辐射所具有的外向压力，否则，引力将不足以维持自身物质的聚集而被“吹散”。

AGN的高光度说明了它们具有很大的质量，应在100万—100亿太阳质量，否则与其巨大光度相当的压力就会把所有物质吹散。 活动最激烈的星系核当属类星体，它也应该有最大的质量。从活动星系核和类星体的光变周期，可见它们只有很小的尺度，质量与尺度的对比，可以说明在活动星系核，特别是类星体核心有巨型黑洞存在。

活动星系核的分类各种活动星系核的观测特征依赖于所采用的观测手段，而不是活动星系核本身。因此各种活动星系核特征往往相互混杂在一起。虽然如此，它们大体上可分为如下几类：

类星体（QSO）：具有非常大的红移，光度很高，光谱中有发射线，可见光波段为幂律谱，多数有X射线辐射，少部分具有很强的射电辐射。其中有强烈射电辐射的称为射电噪(radio loud)类星体，射电辐射很弱的称为射电宁静(radio quiet)类星体(QSOs)，也有人用Quasar表射电噪类星体。

赛弗特星系（Seyfert galaxies）：最早被证认的活动星系核。特点是核的亮度高，具有强的高电离发射线，谱线很宽，强大、变化的X射线，很强的红外辐射，大部分为漩涡星系，也有不规则星系。根据发射线的宽度、形状可分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型塞弗特星系具有宽的发射线，Ⅱ型只具有窄的发射线。进一步还可以划分成1.5、1.8、1.9等类型。2

窄线X射线星系（NLXG）：具有高电离发射线，类似塞弗特星系，但光度较低。被认为是光谱受到星系内尘埃消光的塞弗特星系。

低电离星系核（LINER）：核光度比较低，具有低电离的核发射线区，有时发现为低光度的2型塞弗特星系。

蝎虎座BL型天体（BL Lac Objects）：星系核非常亮，短时间曝光和恒星很类似。光度具有很快的变化，射电辐射有很强的偏振，光谱中既没有吸收线也没有发射线，因此其红移只能从宿主星系的光谱推断出来。

光学剧变类星体（OVVs）：光度具有很快的变化，往往是强射电源。与蝎虎座BL型天体合称耀变体（Blazar）。

射电星系（Radio Galaxy）：具有很强的射电辐射，大部分有两个辐射源，称为双源型射电星系。通常为椭圆星系。根据发射线的宽度大体可分为宽线射电星系（BLRG）和窄线射电星系（NLRG）。

星爆星系（Starburst Galaxies）：具有巨大的恒星形成区，红外光度高于可见光光度，大部分为旋涡星系。属于活动星系，但与活动星系核的关系尚无定论。

除此之外还有马卡良天体（Markarian Objects）、兹威基星系（Zwicky Galaxies）、N星系（N Galaxies）、高偏振类星体（HPQ）、低光度活动星系核（MAGN）、热星体（Warmer）、极亮远红外星系（Ultraluminours Far-Infrared Galaxies）等。

根据射电波段的辐射，还可以方便的分为射电宁静活动星系核与射电噪活动星系核两大类。其中，射电宁静活动星系核包括：低电离核区、西佛星系、以及部分类星体，射电噪活动星系核包括射电噪类星体、耀变体（包括蝎虎座BL型天体和光学剧变类星体）、射电星系等。

黑洞-吸积盘模型黑洞-吸积盘模型是得到广泛承认的活动星系核标准模型。在这个模型中，活动星系核的“中央引擎”是一个超大质量黑洞。在引力的作用下，黑洞周围的气体朝黑洞下落。由于具有角动量，物质形成了一个围绕黑洞的吸积盘。吸积盘中具有耗散作用，气体会被加热到很高的温度，同时不断损失角动量，逐渐下落到黑洞中央，与此同时释放出巨大的引力能，以电磁波的形式辐射出来，其中主要是非热辐射。当黑洞的吸积率很高，远远超过星系的其他部分时，就表现为活动星系核。随着黑洞周围的物质逐渐耗尽，核心的光度减小，活动星系演化为正常的星系。吸积盘两端沿法线方向形成高速喷流，这一过程中，磁场扮演了很重要的角色。当喷流的方向与观测者视线方向夹角很小时，还会观测到视超光速现象。

活动星系核的统一模型活动星系核的统一模型试图将两种或两种以上的活动星系核用一个模型进行描述，不同类型的活动星系核只是由于观测视角的不同，射电平静(radio-quiet)活动星系核与射电噪(radio-loud)活动星系核分别具有各自的统一模型：电波弱统一模型和电波强统一模型。电波弱统一模型认为西佛Ⅰ型星系是直接观察到的光度较低的活动星系核本身，西佛Ⅱ型星系则是由于视线方向上受到了环绕在吸积盘周围的遮蔽环的阻挡。如果活动星系核的光度较高，直接观测到的就不是西佛I型星系而是类星体。电波强统一模型主要关注于高光度的电波强类星体，它们能够与窄发射线电波星系用类似电波弱统一模型的方式统一在一起，即电波星系被遮蔽环挡住了视线，而类星体没有。如果视线方向与喷流夹角非常小，则会观察到蝎虎座BL型天体类星体(blazar)。