宇宙中最神秘的天体——类星体(三)：活动星系核及其观测特征

何香涛

北京师范大学天文系，北京 100875

宇宙中最神秘的天体
——类星体(三)：活动星系核及其观测特征

何香涛†

北京师范大学天文系，北京 100875

活动星系核大家族中，除类星体之外，还有塞弗特星系和BL Lac 天体等。据估计，河外星系中有将近一半的河外星系具有某种剧烈的活动。大家族的最主要成员是类星体。天文学家对类星体的表面特征做了详细的观测，包括它的亮度、大小和喷流结构。但是，到目前为止，我们只能绘出一张带有想象力的、并不十分确切的类星体结构图。

类星体；活动星系核；喷流

1 活动星系核家族

天文学家应该属于思维最丰富的科学家。早在古代，天文学家的主要任务之一便是给皇帝算命。算命者，免不了编瞎话欺骗皇帝。到了近代，不好再编瞎话了，但为了哗众取宠可以造一些名词，活动星系核大概就属于这样造出来的。类星体发现之后，天文学家对它的研究兴趣越来越浓。不久，天文学家们注意到，类星体的物理特性并非是独一无二的，和类星体相似的天体还有许多。首先，这些天体都是位于银河系之外的星系；其次，这些天体都比普通的星系显得活跃。因此，很自然地把它们通称为活动星系。到了20世纪80年代，随着对活动星系研究的逐渐深入，发现活动星系之所以比普通星系活动，关键在于活动星系的核心部分。核心部分有多大呢？大多连一光年都不到，但活动星系的主要辐射能量，全都是从这不到一光年的小小区域里产生的。于是有人提出，与其叫做活动星系，还不如叫活动星系核更生动，英文是active galactic nuclei，简称AGN。真正的活动星系核，自然应该专指活动星系的核本身，但是，核的部分所占的比重又太小了。目前，国际上公认的叫法AGN指的是整个活动星系，而并非仅仅是核心部分。

在所有的河外星系中，活动星系核所占的比例有多大呢？目前还缺少准确的统计数据，原因之一是活动星系核的定义还不十分确切。如果将具有发射线的星系都看作活动性剧烈的星系，那么，晚型星系中80%具有发射线，旋涡星系中20%具有发射线，椭圆星系中50%具有发射线。由此可见，活动星系核在星系中所占的比例还是相当大的。

在众多的活动星系核大家族中，这里只能摘出一二个来加以简述。

1.1 塞弗特星系

1943年，美国天文学家卡尔·塞弗特(Carl K. Seyfert)在威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory)从事星系的红移研究，他发现有些星系具有反常的发射线，星系的中心还有一个明显的核。他当时只发现了6个这样的星系，并没有引起天文学家的重视。等到类星体发现之后，人们发现这类星系和类星体的光谱非常相似，有的甚至一模一样，几乎没有区别。那么，这是一类什么样的天体呢？能不能单独成为一类呢？

说到赛弗特的发现，不能不提及前苏联天文学家的贡献。20多年之后，前苏联一位天文学家叫马卡良(Μ α ρ к α ρ я н)，在比拉干天文台(又译布拉堪天文台)用口径1 m的施密特望远镜进行星系巡天观测，他观测的目的是寻找蓝星系(即颜色偏蓝的星系)。马卡良发现了一批又一批的蓝星系，发表了十几个马卡良星表。当人们仔细研究这些星系时，发现这些星系并不是单一种类型，而是包含有多种类型。其中，有10%属于Seyfert星系。这样一来，Seyfert星系的数量大增，独成一类，于是被正式命名为Seyfert星系。马卡良发现的星系，被称为马卡良天体，但由于它们并不是一种类型，其名称也就逐渐被淡忘了，除非专门讨论马卡良的星表。马卡良成全了塞弗特，却埋没了自己。

Seyfert星系单独命名以来，其重要地位日显突出。它在观测上有许多突出的特征：第一，星系中心有一个突出的星系核，明亮的星系核像一颗亮星，其直径在1 pc(约3.2光年)左右。星系核所在的星系称为母星系，塞弗特星系的母星系都是旋涡星系，Sa型或Sb型。图1是一个典型的Seyfert星系NGC7742。漂亮的核配上一个美丽的花环，再加上由旋臂形成的点点花瓣，真是一幅巧夺天工的艺术品。第二，Seyfert星系的光谱和类星体非常相似。具有明显的发射线，且发射线的种类以及强弱程度也酷似类星体。第三，Seyfert星系的突出特点是红外辐射很强，几乎所有的Seyfert星系都是这样。红外辐射强说明在Seyfert星系中有很多热的尘埃气体，这些气体的温度并不高。奇怪的是，后来又发现大部分Seyfert星系的X射线辐射也很强。红外辐射和X射线辐射是两个截然不同的极端，前者来自温度不高的尘埃气体，后者则要求温度极高的电离气体，至少要达到百万度的量级。两者的要求看来是完全矛盾的。原来这两种辐射来自Seyfert星系的不同部分，红外辐射来自星系周围的气体，而X射线来自活动星系核的核心区域。我们看一张NGC1068核心的真实放大图片(图2)就会一目了然。这里产生的炽热高温气体便可以发射出极强的X射线辐射。

图1 典型的塞弗特星系NGC7742

图2 NGC1068及其核心区域

Seyfert星系和类星体有如此多的相似之处，那么能不能就把它看作是类星体的一种呢？学术界的确存在这种看法。在构造类星体的光度函数时，类星体的固有光度往往定不准，无法准确判定。于是，有人就把Seyfert星系的光度函数作为类星体的本地光度函数处理。尤其是，经典的类星体概念是看不到类星体的本身结构，当这一概念被打破以后，它与塞弗特星系的严格区分就显的更困难了。目前，有一种判定方法是根据星系本身的光度：光度大的，也就是自身更亮的被叫做类星体；光度小一些的，也就是自身暗一些的，就被叫做Seyfert星系。用星等表示的界限是，绝对星等M＝-24 m。

那么，既然Seyfert星系和类星体如此相似，他们之间会不会存在着演化上的联系呢？比如说宇宙中最早形成的是类星体，类星体演化成Seyfert星系，Seyfert星系再演化成通常的星系。但是，到目前为止并没有肯定的结论。图3给出了三种类型的星系：类星体3C273、Seyfert星系NGC5548和正常星系NGC3277。不知你能不能从图形上悟出一些道理来。

图3 类星体、塞弗特星系和正常星系对比

1.2 蝎虎座BL型天体

在众多的活动星系核中，后来居上者莫过于蝎虎座BL型天体，英文名为BL Lac。这个名称的来源颇为有趣。1966年，美国天文学家兹维基在致密星系巡天中发现了一类新的活动星系核，这类活动星系核的特点是缺乏特征，用什么名字命名都不恰当。于是，他建议用这类天体中最典型的一个成员——蝎虎座BL来命名。蝎虎座BL原本被认为是在一个星座中发现的变星，按发现顺序先用单个英文字母，之后再用2个英文字母。这颗变星就是这样按顺序排名来的。

蝎虎座BL型天体在活动星系核中属于深藏不露者，它不仅没有任何突出的特征，甚至连发射线也很弱，或者干脆没有。因此，发现这类天体是一件不容易的事情。这类天体有两点突出的地方：一是具有光变；二是具有偏振。蝎虎座BL型天体的光变十分不规则，从几小时到几个月，而且变幅很大，甚至呈现灾变性的光变，星等的变化能达到5个星等，相当于光度变化在100倍以上。偏振是它的另一个特色，偏振度通常能达到30%以上，偏振度的大小也有变化。

凡是具有光变和高偏振的星系，被称为BLAZAR，中译名为“闪偏天体”，我们在AGN分类中已经列出。蝎虎座BL便是这类天体中最典型的代表。

笔者费了很大的努力才找到一张BL Lac天体的照片和它相应的光谱。图4的右图是该区的照片，天区大小是10×10平方角分，BL Lac天体和普通恒星没有什么区别，左图的放大像才略显示为一个非恒星像。图5是BL Lac的光谱，它的发射线非常微弱。最近发现，BL Lac天体的光谱线强度也有变化，在光极大的时机，大部分BL Lac天体还是可以拍摄到发射线的。

图4 BL Lac天体

图5 BL Lac天体的典型光谱

2 画鬼并不容易

古人曰：画鬼容易画人难。原因是画鬼可以随心所欲，不受限制。我们的类星体很特别，本来是“鬼”，却非常像人。哪怕是拍一张高质量的天文图片，类星体的样子也和普通恒星完全一样，看不出有任何区别。第一位揭开“鬼”的面纱的是加拿大籍美国著名天文学家欧克教授。

类星体发现之后，人们自然会想到，既然它是河外天体，而且那么亮，就应该和河外星系一样有一定的结构。天文学家们动用了世界上最大的望远镜，去拍摄类星体的像，但令人失望的是，无论曝光时间多么长，拍下来的总是一个点像。因此，类星体本身有没有结构？结构是什么样的？成了天文学家们十分感兴趣的研究课题。这类课题只有世界上的顶级望远镜才能涉足。欧克教授在美国帕洛玛山天文台工作，那里有当时世界上口径最大的5 m望远镜，具备了必要的条件。20世纪80年代，已经拍到了类星体的周围有一些模模糊糊的东西，但是无法肯定这些东西是否和类星体有物理联系，说不定是碰巧重叠在一起。欧克的研究方法是拍摄它们的光谱，他寻找一些带结构的亮类星体，拍下类星体周围结构的光谱。困难在于，周围的结构十分暗弱，光谱极难拍到。另外，如果和类星体一起拍摄，前者必然曝光过度。因此，具体做法是非常小心地仅仅把类星体本身挡住，只露出其周围的结构。如果其周围结构光谱和类星体的光谱一致，也就是它们的红移大小一样，则它们必然是属于同一个天体。欧克的工作成功了，并在那一年被评为世界上重大科技新闻之一。在欧克的研究工作之后，天文学家们惊奇地发现，大部分亮类星体都是有结构的。图6便是QSO1229＋204的光学像，虽然在地面上用加拿大、法国、夏威夷的望远镜拍不到任何结构，但用空间望远镜(HST)拍摄便显示的十分清楚。由此可以推断，不仅是亮类星体，全部类星体都应该有一定的结构，决不是一眼看上去会被忽视的一个亮点。

图6 类星体QSO1229+204 在地面上的照片什么也看不到左)，但在哈勃空间望远镜上显示出有一定的结构(右)

提到欧克教授，笔者总是充满着十分怀念的心情。笔者的天文生涯能够上一个台阶，使用5 m望远镜进行观测是很关键的。第一次申请到5 m望远镜，实际上是用了欧克的时间，笔者只是一个合作者。欧克给人的感觉是谦和敬业，让笔者住在他的家里，在业务和生活上对笔者都十分关心。当时欧克已经是60多岁了，在山上几个晚上通宵观测，下山后不休息立即就到实验室去工作。欧克的夫人在小学做教师，小学生们以为她的丈夫是黑人，因为她对黑孩子们太好了。他们夫妇都信基督教，每天晚饭前都要祈祷，将自己的报纸和旧衣物全部捐给教会，去帮助穷人。夫人对丈夫的事业全力支持，怕影响丈夫的工作，她居然不知道丈夫在山上的电话号码，每次都是丈夫主动给她打电话。欧克曾来华讲学和访问，不仅讲课认真，还对天文台的建设提了许多宝贵的意见。欧克是加拿大人，虽然持有加拿大的护照，但一直在加州理工学院天文系工作，70岁以后才转到加拿大多米尼天体物理台工作。他于2003年不幸去世。

3 究竟有多亮

类星体是河外天体，这是因为所有的类星体有一个共同的特征：它们的红移都很大。红移和距离有一个很简单的关系，即著名的哈勃定律。一般哈勃定律可以写为：

其中Vr是河外天体远离我们的视向速度，D是距离，H0是哈勃常数。视向速度和红移Z有直接的关系Vr=cZ，c是光速。这样，便可以得出用红移表示的哈勃公式：

类星体的红移Z通过拍摄光谱可以直接测出，于是就可以得出类星体的距离来。不过，对于类星体来说，情况有些复杂。由于类星体的红移太大，这样的简单公式便不再适用。首先视向速度Vr不能超过光速，根据相对论修正过的公式可以写成：

这样得出的Vr值不会再超过光速，即

但是，对于大红移的类星体这样得出的视向速度仍然不能直接去计算距离。当红移值Z超过1时，还需要考虑时空的膨胀和弯曲，需要用更普适的距离公式——马丁(Matting)公式去计算。马丁公式已经超出了一般科普的范围，这里不再详叙。

总之，由类星体的红移Z可以计算出类星体的确切距离。有了距离，再测量出类星体的视星等m，便不难计算出类星体的绝对星等M。由星等的定义得出的公式为

所谓绝对星等，代表的是一个天体的发光程度，也就是天体的光度。类星体的光度有一个规定，只有亮到一定的程度，才能叫做类星体。目前，普遍定义它的M值必须小于-23等，即M＜-23。

现在，我们来看一看，一个最暗的类星体，即M＜-23，究竟有多亮？不妨用太阳作单位来进行对比，太阳的绝对星等M⊙＝4.75。有一个简单的公式来对比两个天体的亮度，如果用L*和M*分别表示类星体的光度和绝对星等，则它和太阳之比为

将M*=-23和M⊙＝4.75代进去，很容易估算出

可见，只要称得上是类星体，哪怕是最暗的，也能发出1011个太阳的光芒！

4 究竟有多大

一颗类星体至少要发出1 000亿个太阳的能量，其规模和银河系相当。更亮的类星体，甚至能发出成百上千个星系的能量。发射出如此巨大的能量，它应该有多大呢？测量一个天体的大小，也就是它的直径，并不是很容易的。对于一般的天体，只要测出它的角直径，再测出它的距离，两者相乘便得出它的实际直径。对于类星体来说，都是一个个的星点，根本无法测量角直径。不过，天文学家想出了一个十分简单的方法，可以判断出类星体的大小，这就是根据它的光变来估计。一个天体有光变，它的光变周期不应该短于光穿过这个星体的时间，否则，这个周期便被湮灭掉。若天体的光变周期为t，直径为d，则应该

其中d/c就是光穿过这个星体的时间。因此，我们只要测出类星体的光变周期，便很容易估算出它的大小d：

观测发现，大部分的类星体都有光变。究竟有多大比例，目前尚无定论，因为类星体的数目太多了，无法一个一个地去检测，但至少在一半以上。类星体的光变有一个共同的特点，它们的光变周期不规则。另外，光变周期的大小也很不一致，少则几个月，多则几年。因此，准确测量类星体的光变是一件很费力的研究课题。目前的结论是，大部分类星体的光变周期t是几年到十几年。根据上面的公式，类星体的直径便应该是几光年到十几光年。对比一下，我们银河系的直径大约是10万光年。一个大小只有几光年的天体，却能发出比它大一万倍以上的天体能量，的确有些不可思议。这些问题留待以后再讨论。

5 强大的喷流

光学像看上去和普通的恒星没有什么区别的类星体，实际上却是一种最张牙舞爪的天体。天体的确是可以喷射出火焰来的。早在1981年，天文学家就发现星系M87具有光学喷流(图7)。当时认为，这是极个别的现象，可是到了20世纪50年代以后，随着射电天文学兴起，具有喷流的天体发现了很多。特别是1980年，美国国立射电天文台的甚大阵(very large array，缩写为VLA)投入观测之后，发现类星体和其他各种活动星系核的射电喷流越来越多。

图7 室女座星系团中M87的光学喷流(这是用空间望远镜拍出的喷流，左上是它的核心区域)

最早发现的射电喷流是天鹅座A，早在1954年就被发现，通过5 m望远镜对其光学对应体进行观测，发现是一个撕裂的星系。巨大的射电喷流形成两个旁瓣，一个瓣的大小有5.5万光年，相当于半个银河系的大小。两个瓣之间的距离更达到3亿光年。喷流含有巨大的能量并不停向外喷射出来，其规模相当于1千万个超新星同时爆发。可以想象，这是怎样的一幅壮观景象啊！图8是3C219的射电观测图，这是由美国的VLA在20 cm波长上通过长时间观测，累积扫描下来的真实图像。白色部分表示出的是核心部分和高温区。

图8 一幅真实的射电喷流图

现在，通过一幅真实的光学图像来看一看我们的“鬼”究竟是一个什么样子。图9是空间望远镜拍摄的NGC1068，这是一个Seyfert的活动星系，和类星体的特性十分相似，有时可以划归为类星体的一种。这是用哈勃空间望远镜拍摄下来的。中间有一个明显的活动核，周围的结构“乱七八糟”，既没有旋涡结构，也没有盘状结构。“鬼”者，各不相同，一“鬼”一样，天文学家们只能耐下心来仔细地去研究。

图9 NGC1068的光学像

6 一张并不确切的画像

类星体发现至今，动用了世界上所有的大型望远镜对它进行观测，半个多世纪过去了，却始终看不到它的真实面目。天文学家总得给一张类星体的结构图，没有办法，只好先用已有的观测数据，加以想象，画出一个类星体的像。在中国历史上，经常给鬼画像，其根据是鬼的性格和职能。类星体的“鬼”像画了很多，有一张像是由两位美国天文学家乌里(Urry)和帕多瓦尼(Padovani)画的(图10)。这张画像被广泛认可，画像是1995年作的，到现在已经过去了20年，还没有看到更新版。我们只好还得用这张“陈旧的画像”说事了。

图10 类星体的统一模型图

乌里和帕多瓦尼的画像被称为类星体的统一模型图，模型图绘出了类星体的整体结构。类星体的核心是一个黑洞(black hole)，黑洞是类星体的心脏，所有类星体的中心都必须有一个黑洞。黑洞是类星体的能量发动机，类星体发出的全部辐射能量，都是由这个中心发动机提供的。

黑洞外面是一个小小的吸积盘(Accretion disk)，吸积盘像一个磨盘，围绕中心黑洞旋转。之所以叫吸积盘，是因为黑洞把周围的物质吸引过来，先储存在这里，成为类星体的粮仓，中心黑洞再不断地从这里取食。

吸积盘的再外面，是一个巨大的环状体，像一条轮胎，环绕在那里，叫做遮挡环(obscuring torus)，遮挡环内充满着气体和尘埃。如果从侧面去观测类星体，遮挡环的作用就会显现出来，它会遮挡和吸纳一部分光，使类星体发出的辐射变形。这也从侧面证明了遮挡环的确存在。

类星体的光谱线分为宽线和窄线。这两种谱线来自类星体的不同区域，宽线区(broad line region)靠近中心部分，窄线区(narrow line region)分布在外面。

令人瞩目的类星体巨大喷流(jet)是从中心黑洞发光的，喷流的方向性非常强，它一定是对称的，和吸积盘垂直地向两侧喷发。喷流的速度有多快，究竟能喷射多远，都是天文学家感兴趣的研究内容。

(2014年11月19日收稿)

(编辑：温文)

The most mysterious object in our universe — Quasar (Ⅲ): The family of AGNs and the observational characters

HE Xiangtao
Department of Astronomy, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

There is a big family of AGNs (active galactic nuclei), which includes Quasar, Seyfert, BL Lac and others. About half of the AGNs have some active phenomenon. Quasar is the main member of the AGN family. We observed the possible various detail of the quasar including the brightness, size and jets. We show the imaging picture of the quasar structure which may not be a real.

Quasar, AGN, jet

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.01.008

†通信作者，E-mail：xthe@bnu.edu.cn