活躍星系與類星體 Active Galaxies and Quasars
1923年,哈伯在威爾遜山天文台,發現了M31仙女座大星系中的造父變星,從而定出M31的距離,確定它是銀河系外的天體,開拓了`星系`的研究範圍.而在大多數的星系中,越往中心的恆星密度越大,這中心明亮區域稱為`星系核`,利用現在的觀測方法,無法分別其中恆星個體.第一位注意星系核活躍現象的是美國天文學家西佛,1943年西佛研究了12個螺旋星系,發現他們有下列特點:
1.它們的核較小較亮
2.核區光譜有很強的高激發高游離發射線
3.發射線特別是氫譜線特別寬
人們把具有這些特點的螺旋星系稱為西佛星系,然而對星系核,天文家認為只是恆星密集區,但真正刺激並推動活躍星系核的研究是1963年似星體的發現,它標示了無線電天文學已經成長.變成天體研究的重要工具,而似星體的奇特之處,使其成為宇宙論的佐證,似星體的光芒也成為觀測星際介質的最佳工具.
AGN[active galaxies nuclei]是活躍星系核的簡稱,AGN和正常星系不同,最主要分別在光譜上,正常星系是恆星連續光譜加上吸收線,但有些AGN會發出強發射線,包含氫譜線和一些禁譜線,有些AGN是沒有特徵的連續光譜.在西佛星系中,譜線的寬度是一個重要的特徵一個k型巨星光譜在5.0´10`7m寬度只有0.5´10`10m.
而正常星系光譜因有很多恆星在運動,所產生的效應會使譜線變寬,西佛星系中譜線更寬,物質運動的速度可能有500-1000km/s.西佛星系又可以分為兩種,區別在氫譜線的寬度,1型較寬,物質的運動速度有幾千km/s,2型的寬度則和禁譜線相當,2型西佛星系會發出很強紅外輻射,推測其中存在著大量塵埃,而1型的x射線往往較強.光譜中發射線的存在說明有一定的氣體,而能量分布又說明有非熱輻射源西佛星系亦有短時間的光度變化.
蝎虎BL天體是另一不同光譜型的AGN,在無線電,紅外,光學波段的輻射強度有快速變化,約幾天到幾個月,在低色散光譜中不見任何特徵,偏振度很大亦有快速變化,輻射能譜由可見向紅外增大,極大在紅外波段,再做多色測光發現,它在u-b,b-v兩色圖上分佈在似星體和N星系(有點像似星體卻擁有一個雲狀外殼)之間.天文學家把BL的亮核遮起來,觀測其外雲狀物的光譜,由譜線紅移得出它是遙遠的天體,光譜型很像橢圓星系,其周圍的氣體很少,故譜線不強.
我們把功率p>10-41爾格/s的星系叫做無線電星系,而他們最強的輻射源在核外.但我們相信星系核的活動是造成強輻射的主因.而他們按型態可分為:
1.緻密型:輻射區不大於照片上光學範圍,如m87.
2.雙源型:在光學星系兩邊有兩個巨大的設電辦,三者排一直線,射電瓣為主要的輻射源,而輻射來源是同步加速輻射,推測射電瓣是具有磁場高能的電子雲,雖然電子數可能很少磁場很弱,但因射電瓣體積大所包含的電子和磁場很多,所以輻射出這麼大的能量,估可發出10-6ms的能量.而射電瓣可能由星系的噴流連續提供能量物質.噴流在星際介質中高速運動,一邊沿路發出輻射,一邊推開物質,結果在某點停下把能量累積於此,形成熱班.
3.頭尾型:輻射區圍繞著光學星系,如ngc1265,此確定星際物質的存在,星系一邊行進,一邊噴流與星際介質交互作用而減速,形成尾巴.
一般相信活躍星系核是造成星系活躍的主因,根據上述星系活躍的現象,所做出的理論模型必須解決下列問題;
1.光譜中氫的譜線很寬.
2.2型西佛星系塵埃所造成的紅外輻射強,1型西佛星系會發出強x輻射源.
3.蝎虎bl的無特徵連續光譜和其偏振性.
4.無線電星系其射電辦的形成和射電瓣強大輻射的來源.
5.如何產生高能高速電子,和噴流的形成和造成的機制.
6.中心如何能造成這麼強大的能量,來源為何?
根據近年來的研究,已經有不錯的模型來回答上述問題,活躍星系核中心有一個非常小的非熱輻射源,外面約0.1pc的區域內有高速高密度的雲,他們只能發出允許躍遷而且譜線寬,因為允許線的氣體密度高,阻止了禁譜線的發射,這區的譜線寬;再外面約400pc會發出較窄的譜線,包含了禁譜線,氣體運動速度較慢,更外面約幾萬個pc的地方,是射電瓣的位置.而觀測的波段位置如下圖,因為解析力的極限,所以我們對最中心之處尚不可知.
有人設想中心物質坍縮是強大能量的來源,星系核中恆星的密度非常高,恆星互相合併碰撞是經常的事,最後引起連續的超新星爆炸,這些能量傳至外部形成強輻射的來源.也有人說星系核中有反物質,當它和物質作用時,轉化能量是100%,造成星系核的強大能量.
比較流行的說法是星系核中有一個大質量的黑洞[約10-8ms],黑洞吸積附近的物質,最後吞沒下去,把大量的重力勢能釋放出來,若是一個旋轉黑洞,當物質被吸積時,可由另一些物質把重力位能和黑洞的旋轉動能帶出,有些人在星系核外加上磁場來說明如何獲得高速電子,由於吸積作用和內部的能量,也造成了物質的噴流. 最近天文學家在一些AGN裡發現了星系碰撞的痕跡,很可能是造成星系核中恆星坍縮或黑洞的最大原因.
AGN的側面圖解如下,有人認為西佛1型,2型,和蝎虎BL是同樣的東西,只是觀測的角度差別,西佛2型是由側面觀察的AGN,所以有很多當處塵埃造成的紅外輻射,蝎虎BL則從盤面上下觀看,由於沒有許多物質阻擋,故其光譜沒有吸收放射譜線.
似星體[quasar]的發現,使AGN便得不是獨特的,quasar有若恆星的光學模樣,但它的光譜樣卻不是恆星的光譜,擁有巨大的紅移和發出巨大的能量,quasar是quasi-stellar object的縮寫,以前曾有QSO[quasistellarobject],
QSS[qusaistellar source], BSO[blue stellar object],QSRS[quasistellar radio source],QSG[quasistellar galakies].
在60年代發現的似星體,引起天文學家強烈注意,開始廣泛搜尋似星體.同時對似星體的各種性質進行深入的研究,發現其不少獨特的性質.似星無線電源很多是高頻平譜源,而在低頻擴展陡譜源的似星體很少.後來又發現許多天體光學性質和似星體相同,但卻探測不到其無線電輻射,一般分類為無線電寧靜似星體.這兩種似星體除了無線電發射的差別之外,其他方面並沒有什麼差別,故假設強無線電輻射似星體是似星體一生中激發的階段.
不少似星體有光變[輻射顯著變化],而且沒有週期性.由於光變的天體有一定的大小,假設天體各部位光變是同時發生,那麼在地球上觀次到的光變時間應等於光從天體這一側到另一側的時間,發生光變的天體大小應不大於光變時間乘上光速,因此似星體的光變只是幾個月甚至一百秒,其大小不會超過一光年,而似星體的絕對星等非常大,在這小空間集中了很大的能量,實在是很難解釋的.
似星體是否是遙遠星系的亮核,天文家發現了在其本體之外有雲狀包圍物,更進一步找尋這雲狀物的光譜,是熱的連續譜,包括一些禁譜線還有吸收譜線氫的巴爾曼線和鈣hk線,但沒有晚期恆星的吸收特徵,平均光譜型是a7，雲狀物的紅一亮和似星體一致，代表雲狀物在似星體旁,難道quasar一種星系,和AGN有親戚的關係.
更加強烈暗示似星體與AGN相似是quasar本身的光譜,和西佛1型相似,所有的似星體都有明亮的發射線,包括氫的萊曼,巴爾曼,mg1,n4,c3等譜線.這些譜線大部分是紫外波段,但經過巨大的紅移後移至到可見光波段,quasar其他也和西佛1型相似,主要的區別是似星體有較大的光度.
觀測到的似星體越來越多,但他們的紅移量大部分在z=2.左右,紅移量在其上的quasar變得較少,最大的quasar量在4,那紅移的意義為何?是因為宇宙膨脹造成的,還是重力紅移呢?處在重力場輻射出的光,當從遠離重力場的地方觀測時,譜線會往長波長的方向移動,移動量和重力勢差成正比,這叫做重力紅移,但這時氣體運動速度非常快,所有光譜線要非常寬,這和觀測到的數據不同.
哈伯定律描述星系紅移量和退行速度成正比,那他可以解釋似星體的紅移嗎.人們對星系紅移退行沒有懷疑,若能找到紅移和星系相近的低紅移似星體,就可以運用哈伯定律.在觀測和統計下,有很多例子說明星系和低紅移的似星體為鄰居,如3c273,3c206等,但對於高紅移的似星體,就沒有高紅移的星系對應,這時似星體的吸收譜線幫上了大忙,在低紅移quasar的吸收線高紅移的都有,和低紅移quasar互為鄰居的星系也沒有高紅移quasar的吸收線,證明高紅移似星體比低紅移的遙遠,而且距離差很多,也證明兩者不可能都位於星系之中.
最有力證明似星體距離遙遠的是重力透鏡效應,1997年,d.welsh,r.crswell,r.weymann發現兩個靠的很近的似星體,它們星等一樣,發射線紅移相同連光譜也相同.進一步證明廣義相對論的正確,也說明似星體的遙遠和中間的星際介質會吸收似星體的光.
AGN和quasar的性質如此相近,以型態特徵來說quasar是AGN的增強板,以光譜來說AGN和quasar都有高激發的發射線,兩者的連續譜都有非熱成分,AGN輻射出無線電和部份紅外波段,quasar有時可延伸到可見和紅外,在x波段AGN和quasar的輻射能量成一種有逐漸增強連續性,最後兩者都有無週期的光變.這些連續說明了quasar是AGN的兄弟.
許多觀測事實都支持似星體的紅移是宇宙膨脹造成的,那似星體就成為最遙遠的天體,這一點對宇宙學有重大的意義,似星體距離我們幾十億光年至幾百億光年,我們現在所觀測的似星體是百億年前的歷史鏡頭,而根據大霹靂說,我們所觀測越遠的星系越年輕,因為光要幾十億年才能達到,如果似星體和活躍星系核有密切關係,它可能就是初生的星系.
似星體制金有一些問題尚未解決,首先是距離問題,因為我們是用哈伯定律來定距離,可是哈伯常數卻沒有辦法成為一個定數,使似星體的距離不確定.另一方面,似星體尺度和光度的比例,其輻射之強是銀河系千倍,其尺度可能只有銀河系的千分之一,這和AGN一樣,我們對中心機制上無法了解,故在quasar上也用解釋AGN的機制來應用.
在宇宙論中從一開始宇宙暴炸到粒子形成，這段理論的可信度很高,星系形成到今日宇宙演化也可由觀測來推論,現今宇宙論兩大難題是暴漲和星系形成,不同暴漲模式推算結果都可以造成不同的宇宙,而星系形成是沒有辦法作任何觀測或實驗比擬,現在對星系形成只能說大尺度上均勻的宇宙,在小尺度上顯然沒有.這非均勻性受一些因素發展,一是重力,加強非均勻性.二是物質和輻射壓力,以波的形式傳播非均勻性.三是光子和物質的黏滯力,使非均勻性衰減.但這也只能解釋物質為何集中,如何從集中變成初生星系,現在尚未有定論,要如何解決這最大困難是現在天文界所要一起努力的.
Active Galaxies活躍星系的分類
Seyfert galaxies 有亮核的漩渦星系，光譜有發射線，並有非熱輻射。
Seyfert 1有寬的發射線包含HⅠ,HeⅠ,HeⅡ，因為都普勒效應造
成。還有窄的禁制譜線OⅢ。
Seyfert 2只有窄發射線
Radio galaxies是在無線電波段特別亮，具有射電瓣和噴流。。
Broad-line Radio galaxies(N galaxies)有模糊的外層雲氣。
Narrow-line radio galaxies是巨大的橢圓星系。
Quasars(qusai-stellar radio sourse) QSQs(qusai-stellar objects)有類似恆星的樣子，光譜有巨大的紅移，發射巨大的能量，有輻射可見光，但不同於黑體輻射的譜形，在譜中有發射線。
Blazars有兩類
BL Lac object有光變且高度偏振而無特徵的連續譜的射電源。
OVVs(optically violently variable quasars) 有光變光譜上有寬的發射線，比BL Lac 更亮。
Starburst galaxies是星系中有巨大的恆星形成的爆炸區，紅外光度大於光學光度，他的光學特徵像Seyfert galaxies，由IRAS(紅外線探測衛星)得知紅外波段特別亮。
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