一闪一闪类星体

Twinkle, twinkle quasi-star.

Biggest puzzle from afar.

How unlike the other ones.

Brighter than a billion suns.

Twinkle, twinkle, quasi-star.

How I wonder what you are.

——George Gamow

卡内基梅隆大学的Eduardo Bañados带领的团队刚刚发现了63个类星体（arXiv:1608.03279）。这些类星体在宇宙诞生仅10亿年的时候就已经出现了。这些古老的类星体是非常罕见的，对这些样本的分析为科学家提供了独一无二的机会，去弄清楚在大爆炸的10亿年内究竟发生了什么。

借着这次的新发现，我们来稍微了解一下什么类星体。

图中可以很清晰的看到中间是一个超大质量黑洞，周围是吸积盘，以及巨大的尘埃环和垂直于吸积盘的喷流。(© Antonucci Nature 495, 165A, 2013）

类星体是宇宙中最有意思的物体，有意思到当我们第一次看到它们的时候完全不知道它们究竟是什么。直到射电天文学的出现，天文学家Matthews和Sandage才通过干涉观测发现射电源3C 48在光学上对应于一个蓝色的类似于恒星的天体。3C 48的光学光谱有着奇怪的发射线， 令人百思不得其解。之后，更多的射电源在光学上被证认为恒星状的天体，包括3C 273。

1963年，Schmit意识到3C 273中奇怪的发射线实际上是显著的红移造成的，并求出红移为0.158（表明它距离地球足有几十亿光年远），成为发现类星体的标志性事件，是20世纪60年代天文学的四大发现之一（其它三个为：脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子）。1964年华裔天文学家Hong-Yee Chiu将这一类天体命名为类星体（quasar，quasi-stellar radio sources，意为类似于恒星的射电源）。

半人马座A（Cenaurus A）是被天文学家广泛研究的AGN。该图显示了所有波段下的半人马座A。（ © 2014 Ángel R. López-Sánchez）

类星体有一些典型的观测特征：

• 遥远的恒星状天体；

• 光谱中有强的发射线；

• 巨大的本征亮度；

• 有着年甚至小时量级的光变现象；

• 强烈的X射线辐射；

• 部分类星体有明显的喷流；

• 辐射的能谱基本上包括了全部电磁波段，即射电，红外，光学，紫外，X射线，甚至是伽玛射线。

需要注意的是并不是每一个类星体都具有上述的观测特征。

天鹅座A，喷流尾部为射电瓣。（© C.Carilli at NRAO）

类星体的显著特点之一是巨大的本征亮度，它的辐射功率可以是普通星系的成百上千倍，但是类星体看起来又像是一颗恒星。这就意味着这样巨大的能量是在非常小的尺度上辐射出来的，这说明类星体在比太阳系还小的尺度上可以辐射出比整个银河系还有大一百倍以上的能量！！！这是为什么？科学家一开始对类星体的能源机制充满了困惑。

通过计算，在比太阳系还小的尺度上，通过大量的恒星以核聚变或者超新星爆发等机制无法获得像类星体这样稳定的能量输出。天文学家迅速提出了大质量黑洞通过吸积周围气体将引力能转化为电磁波释放出来这样的机制来解释类星体的能源问题。由于大质量黑洞附近的引力场如此之强，计算表明被吸积物质的静止能量（E=mc²）的10%以上可以转化为电磁波辐射出来，这远大于氢核聚变的产能效率（0.007）。如此高效的产能效率使得一个大质量黑洞通过一个太阳质量每年的速度吞噬气体就可能产生观测到的巨大的辐射能量。

现在，我们知道类星体是星系处于特殊阶段，此时核区的超大质量黑洞处于吸积状态，辐射出大量能量，本质上与活动星系核（AGN）相同。正常的星系与类星体的区别在于正常星系中心的黑洞是不剧烈活动的，也就是说不大量吸积气体。

但既然AGN的的中心能源都来自超大质量黑洞的吸积，为什么观测上会表现出许多不同的形态？天文学家提出了“统一模型”将不同种类的AGN统一起来。下图左上部分描述的是射电亮（Radio Loud）的AGN，右下部分描述射电宁静（Radio Quiet）的AGN。随观测者的视角变化，AGN表现为不同的类型。（arXiv：1608.04586论文是一项关于射电宁静和射电亮类星体的最新研究。）

AGN包括类星体、赛弗特星系（Seyfert）、射电星系、BL Lac天体等等。

类星体一直是天文学和天体物理学研究中的几个前沿课题之一。但是，在类星体发现的50多年后，关于它为什么能辐射出这么大的能量仍然缺乏强有力的模型来解释。如果对该课题有兴趣的读者强烈建议阅读Robert Antonucci在《自然》发表的《Quasar still defy explanation》和arXiv:1502.02001。

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