当我们抬头仰望星空时,我们看到的大多数光点都是恒星,也就是由氢气和其他元素组成的巨大炉火,通过核聚变释放出巨大的能量。但是,在遥远的宇宙深处,有一些光点看起来像恒星,却不是恒星。它们比恒星更亮,甚至比整个星系还亮,它们的光芒可以穿越数十亿光年的距离,抵达我们的望远镜。它们就是类星体,也就是准恒星天体。
类星体这个名字是由华裔美国天文物理学家丘宏义在1964年提出的,是quasi-stellar object(准恒星天体)的缩写。之所以叫做类星体,是因为在最初发现它们时,人们并不清楚它们到底是什么。在1950年代后期,天文学家在进行全天电波源调查时,发现了一些奇怪的电波信号,但是在可见光范围内却找不到对应的天体。后来,有人用更强大的望远镜观测到了这些电波源的可见光位置,发现了一些微弱而点状的光源,看起来就像遥远的恒星一样。但是,当人们测量了这些光源的光谱时,却发现了一些无法解释的现象。
类星体的光谱中有许多未知的宽阔发射谱线,经过分析后发现,这些谱线其实都是常见元素(如氢、氦、碳等)的谱线,只不过被极度红移了。红移是指由于光源远离观测者而导致其波长变长、频率变低、颜色偏红的现象。根据哈勃定律,红移可以用来衡量一个天体距离我们有多远以及以多快的速度远离我们。类星体的红移非常大,意味着它们距离我们非常遥远,并且以接近光速的速度飞驰着。那么,为什么这些遥远而高速运动的天体会如此明亮呢?这就涉及到了类星体形成和运行的机制。
目前最广泛接受的解释是,类星体其实是一种活跃的高亮度星系核,也就是说,它们位于某些特殊类型星系(如赛弗特星系、射电星系等)的中心位置。在这些星系核中心,存在着一个超大质量黑洞,其质量从百万倍太阳质量到数十亿倍太阳质量不不等。这个黑洞不断地吞噬周围的物质,如恒星、气体、尘埃等,形成一个旋转的吸积盘。当物质在吸积盘中向黑洞靠近时,会受到极强的摩擦力和引力,从而产生巨大的热能和辐射能。这些能量以电磁辐射的形式向外发射,形成了类星体的明亮光芒。类星体的辐射功率非常巨大,最强大的类星体的光度超过10^41瓦特,是普通星系的数千倍。类星体可以跨越电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、和γ射线等电磁频谱的波长发射辐射,其中X射线和γ射线是最高能量的辐射。
除了吸积盘产生的辐射外,类星体还有另一种辐射机制,那就是喷流。喷流是指从黑洞两极方向喷出的高速粒子束,它们以接近光速的速度飞驰着,并且与周围的星际介质相互作用,产生同步加速辐射。喷流是类星体中最强大的电波源之一,也是类星体形态多样性的原因之一。根据观测者与喷流方向的夹角不同,类星体会呈现出不同的光谱特征和变化特征。例如,当观测者与喷流方向接近时,由于多普勒增强效应,类星体会显得更亮、更蓝、更变化快。这种情况下的类星体被称为蝎虎BL天体。
类星体是宇宙中最亮、最神秘、最有趣的天体之一,它们给我们提供了探索宇宙深处和极端物理条件的窗口。关于类星体,人们有许多猜想和问题。如类星体是否存在于所有类型的星系中?为什么有些星系有活跃的类星体,而有些没有?类星体是否存在于早期的宇宙中?类星体是否是宇宙中最早形成的天体之一?类星体是否会一直存在下去?
有一些可能的猜想。类星体会逐渐变暗,直到消失。当黑洞附近没有足够的物质供其吞噬时,吸积盘和喷流就会停止工作,类星体就会失去辐射源,变成一个普通的黑洞。这个过程可能需要很长的时间,因为黑洞周围总会有一些残留的物质,只是吸积率会变得很低。类星体会转变为其他类型的活跃星系核。当黑洞吞噬物质的速率发生变化时,类星体的辐射特征也会发生变化。当吸积率降低时,类星体可能会变成低亮度活跃星系核,或者射电安静型活跃星系核。当吸积率增加时,类星体可能会变成更亮、更暴躁、更高能量的天体,如伽玛射线暴或超大质量黑洞合并事件。
类星体是宇宙中最亮的天体,它向我们展示宇宙的奥妙和美丽。类星体的研究还有许多未解之谜,这需要我们不断地探索和发现。通过观测和理解类星体,我们可以增进对宇宙的认识,也可以增进对自己的认识。