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【作者建议：如果您没时间看完所有文字，可以先快速看完每张图。】2014年，克里斯托弗·诺兰 (Christopher Nolan) 执导的科幻电影《星际穿越》 (Interstellar) 播出，立即成为科幻电影的经典之作。这部电影的顾问是著名物理学家基普·索恩 (Kip Thorne) ，他于2017年获得诺贝尔物理学奖。在这部以黑洞、虫洞与时空穿越为主线的科幻杰作中，有一个关键情节是：男主角约瑟夫·库珀 (Joseph Cooper) 落入巨型黑洞之后，可随意切换到地球上的任何四维时空的“切片”，他看到了自己的女儿墨菲·库珀 (Murphy Cooper) ，为了让人类实现时空穿越，他将自己所在的那个黑洞的信息转化为电码发到自己送给女儿的手表上，女儿破译出相应的电码，获得了男主角所在的那个黑洞的信息，这些信息被写在笔记本上：
墨菲·库珀用来写时空穿越电码的这些信息有真实的天文背景：NGC 4438是一个特殊星系 (Peculiar Galaxy) 的编号，它与另一个星系一起构成“双眼星系”，在Arp特殊星系表中的编号是Arp 120，它与地球的距离是16 Mpc，即5220万光年，这确实是NGC 4438与地球之间的距离。RA与DEC后的数字代表的是这个星系在天空中的位置。为什么墨菲要把这个特殊星系的位置与距离写到穿越的电码中？因为：1、这是一个“活动星系”，天文学家认为活动星系中心有一个超大质量黑洞；2、而虫洞理论假定，在非常难得的条件下，黑洞可作为虫洞，实现时空穿越（这一点尚未被证实）。在宇宙中，存在大量类似于NGC 4438的活动星系，它们中心都有超大质量黑洞。这一章，我们将介绍包括NGC 4438在内的各种活动星系与活动星系核，包括类星体——它们是最亮的一类活动星系核。活动星系（核）有多种类型，我们将依次介绍以下几大类：LINER星系、塞弗特星系、类星体。这三大类中，核心活动的强烈度越来越强：类星体的活动比塞弗特星系的核心活跃得多，塞弗特星系核心的活动比LINER活跃。《星际穿越》中提到的NGC 4438是一个塞弗特星系。
LINER是“低电离核发射区”的英文 (low-ionization nuclear emission-line region) 的缩写，为了表述简便，我们此后用这个缩写。LINER是一些星系的核心区域。这个区域内，氧、氮、硫等原子被电离的程度比较低，只被电离出一个电子，这些离子发射出较强烈的发射线。这样的核心区被称为LINER。如果一个星系的核心包含LINER，就被归类为LINER星系。LINER星系很常见，1亿光年以内的星系中有大约3分之1的星系是LINER星系。前面两章介绍的一些星系有些就是LINER星系，比如M94。不过，这类星系直到1980年才被首次正式归为一类。LINER星系的低电离特征有两个可能起源：1、活动星系的核心的活动；2、星暴星系制造的恒星将周围气体电离。至少有一部分LINER属于第一种情形。位于大熊座方向的M81 (NGC 3031) 被列为“大设计旋涡星系”之一。它于1774年被约翰·波德 (Johann Bode) 发现，因此也被称为“波德星系”。当时波德同时发现了它附近的M82。它与M82以及NGC 3077构成一组相互作用星系。它对M82的引力作用使M82成为一个星暴星系。M81的直径约为9万光年，与地球的距离约为1160万光年。由于它的距离相对较近，哈勃可以分辨出其中的恒星、星团与发光气体。它的中心有一个超大质量黑洞，质量约为太阳质量的7000万倍。物质落入黑洞之前，发出耀眼光芒，使它成为一个活动星系，进一步的研究表明它是一个LINER星系。著名的超新星SN 1993J就位于M81之中。
图：哈勃的ACS拍摄的旋涡星系、LINER星系M81的可见光与近红外线合成图像。这张图像是由哈勃在2004年到2006年拍摄的图像叠加而来，于2007年5月28日被公布。图中区域的宽度约6.3万光年，高度约4.3万光年。Credit:NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA). https://www.spacetelescope.org/images/heic0710a/ M63 (NGC 5055) 的外号是“向日葵星系”。它位于猎犬座方向，距离地球约3000万光年。它是一个絮状旋涡星系。它的核心非常明亮。研究表明，它的核心是一个比较弱的活动星系核——“低电离核发射区”，它因此成为活动星系；它中心有一个超大质量黑洞，质量大约是太阳质量的9亿倍。
图：哈勃的WFPC2拍摄的旋涡星系M63（NGC 5055，向日葵星系）的可见光与近红外线合成图像。图中区域边长的约为1.6万光年。Credit: ESA/Hubble & NASA https://www.spacetelescope.org/images/potw1536a/ 美丽的“草帽星系”于1781年被梅襄发现，它位于室女座星系团中，侧对着地球，与地球的距离大约为3100万光年，直径约5万光年，总质量达到太阳质量的8000亿倍。根据望远镜得到的观测特征，它的核心被归类为LINER。核心发出的光与星系其他部分的恒星发出的光一起构成一个巨大的发光球状区域。巨大的发光球的周围是一圈尘埃与气体形成的旋涡结构。它的中心是一个超大质量黑洞，哈勃上面的光谱仪与CFHT（“加拿大-法国-夏威夷望远镜”的英文缩写）测量出这个黑洞附近的一些恒星的旋转速度，天文学家据此得出结论：M104核心的黑洞的质量至少为太阳质量的10亿倍。
图：哈勃的ACS拍摄的草帽星系M104的可见光图像。由于它的距离很近，在天空中占据的区域（9角分乘4角分）超过哈勃上的照相机的视场好几倍，哈勃必须多次拍摄不同区域后再拼接，才可以得到它的全景图。图中区域的角宽度与角高度分别为9.57角分与5.36角分，对应的宽度与高度分别为8.6万光年与4.8万光年。Credit: NASA/ESA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)https://www.spacetelescope.org/images/opo0328a/NGC 2841位于大熊座方向，距离地球约4600万光年。它是一个LINER星系，核心非常明亮。同时，它是一个絮状旋涡星系，也是此类星系的典型代表之一。
图：哈勃的WFC3拍摄的絮状旋涡星系、LINER星系NGC 2841的核心区域的紫外线、可见光与近红外线合成图像。图中区域的宽度约为4.6万光年，高度约为3.6万光年。Credit: NASA, ESA and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration https://www.spacetelescope.org/images/heic1104a/ M87 (NGC 4486) 是室女座星系团中的最大的成员，因此也被称为室女A星系。它距离地球约5350万光年，直径为50万光年，包含13450个球状星团与约1万亿颗恒星，质量为太阳质量的6万亿倍以上。M87是一个非常著名的活动星系。哈勃的“暗淡天体光谱仪”测量了它核心附近的电离氢构成的星云的旋转速度，天文学家据此证明M87中心有一颗超大质量的黑洞，其质量达到24亿个太阳质量。2019年，事件视界望远镜合作组公布了这个事件视界望远镜得到的这颗黑洞附近物质的射电图像，这团物质包围的黑色区域就是其中的黑洞，这是第一个被拍摄下来的黑洞。分析表明，这颗超大质量黑洞的质量是太阳质量的65亿倍。 M87的核心区域的物质正在大量地向中心的超大质量黑洞掉落，产生各种辐射，并朝着相反方向喷出两股喷流。这对喷流的长度达到大约5千光年，速度接近光速。
图：哈勃的ACS拍摄的椭圆星系M87 (NGC 4486) 的核心区域的可见光与近红外线合成图像。它的核心是一个巨大的黑洞，物质落入黑洞，产生一对喷流。由于视线效应，地球上的人类只能看到其中一个喷流。它的内部已经没有尘埃构成的暗区域，只有明亮的恒星光。它包含的物质延展到核心之外50万光年处，图中区域的边长只有5万光年，只是它的核心区域。Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)https://www.spacetelescope.org/images/heic0815f/
图：哈勃的WFPC2拍摄的活动星系M87的核心小范围区域的紫外线、可见光与近红外线合成图像。图中蓝色的是喷流，黄色光芒是星系中的恒星发出的光，黄色斑点是星系中的星团，这些星团包含大量恒星。图中区域的边长约为8千光年，其中喷流的长度约为5千光年。Credit: The Hubble Heritage Team (STScI/AURA) and NASA/ESAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo0020a/ 星系IRAS 16399-0937位于蛇夫座，与地球的距离约为3.7亿光年。它的外形与颜色酷似抹了些许红色的黑玫瑰。哈勃的近红外照相机与多目标分光仪 (NICMOS) 得到的数据表明，这个星系内包含了两个核心，二者距离大约1.1万光年。这意味着它由两个星系并合而成。根据内部的两个核心，这个星系被分为南与北两区域，它们被分别命名为IRAS 16399-0937S与IRAS 16399-0937N。南部区域内部是星暴区，正在快速形成大量恒星；北部区域内部是LINER，中心有一个质量为太阳质量几百万倍的超大质量黑洞。因此，这个星系同时是并合星系、星暴星系与LINER星系。
图：由哈勃的ACS与NICMOS拍摄的IRAS 16399-0937的可见光与近红外合成图像。其中，ACS得到了可见光与波长为814纳米的近红外数据， NICMOS得到波长为1600纳米的近红外数据。图中区域的宽度与高度分别约为11万光年与9万光年。Credit: ESA/Hubble & NASA https://www.spacetelescope.org/images/potw1652a/
讲完LINER星系之后，我们再来看看塞弗特星系。塞弗特星系也很常见：在所有星系中，有10分之1属于塞弗特星系。在可见光图像中看来，塞弗特星系的外形与普通星系没有太大差异；但它们的核心普遍非常明亮，核心发出的光的光谱显示出明亮的发射线，且常常有一些丝絮状的羽流或者直线状的光线。在X射线等波段，塞弗特星系更是比普通星系亮得多。
位于圆规座的圆规座星系是距离地球最近的塞弗特星系之一，它与地球的距离约为1300万光年。
图：哈勃的WFPC2拍摄的圆规座星系的核心部分的可见光与近红外线合成图像。图中区域的边长约为2100光年。Credit: Andrew S. Wilson; Patrick L. Shopbell; Chris Simpson; Thaisa Storchi-Bergmann and F. K. B. Barbosa; and Martin J. Ward and NASA/ESAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo0037a/ 梅西耶星表中的旋涡星系M64 (NGC 4826) 是一个著名的塞弗特星系。它位于后发座，与地球的地球约为1730万光年，直径约为5.4万光年。它的核心发出明亮的光芒，这是塞弗特星系的重要特征之一。由于其中富含黑暗的气体与尘埃构成星云，M64的大部分区域为黑色，仿佛黑暗中的一颗眼睛，因此它被称为“暗黑之眼”。这些黑暗的气体与尘埃会吸收明亮核心发出的光。
图：哈勃的WFPC2拍摄的M64的核心区域的可见光与近红外线合成图像。它可能是两个星系碰撞并合后形成的。图中区域宽度约为7500光年，高度约为9000光年。Credit: NASA/ESA and The Hubble Heritage Team (AURA/STScI)https://www.spacetelescope.org/images/opo0404a/ 旋涡星系M106 (NGC 4258) 也是塞弗特星系。它位于猎犬座方向，与地球的距离大约为2400万光年。与整体黑色的M64相反，M106的盘与旋臂上充满了发光的气体，这意味着它内部正在形成大量恒星，这些恒星发出的紫外线加热了周围的气体，使其发出亮光。
图：哈勃的ACS与WFC3拍摄的塞弗特星系M106的可见光与近红外图像与Robert Gendler , Jay GaBany 拍摄的M106图像的合成图像。图中区域的宽度约4.6万光年，高度约为3.6万光年。Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), and R. Gendler (for the Hubble Heritage Team).https://www.spacetelescope.org/images/heic1302a/ 位于鲸鱼座方向的M77 (NGC 1068) 是星系中的超级明星，研究它的论文比研究任何其他星系的论文都多。它与地球的距离约为4700万光年，于1780年被梅襄发现。M77是一个棒旋星系，中心比其他棒旋星系的中心亮得多。光谱中含有发射线，也被确认为塞弗特星系。事实上，它是第一个被发现的塞弗特星系。位于它中心的超大质量黑洞的质量大约是太阳质量的1500万倍。
图：哈勃的WFPC2与ACS拍摄的塞弗特星系M77 (NGC 1068) 的图像。它的核心与旋臂都非常亮。图中蓝色区域为星系中的年轻恒星；红色区域是恒星形成区域，里面已经形成的恒星加热了这些区域，使其整体发出红光；褐色为气体与尘埃云。图中区域的宽度约为3.4万光年，高度约为2.6光年。Credit: NASA, ESA & A. van der Hoevenhttps://www.spacetelescope.org/images/heic1305a/ 奇怪的知识：塞弗特星系的研究简史。早在1909年，法斯 (Edward A. Fath) 与斯里弗 (Vesto Slipher) 发现星系M77 (NGC 1068) 的核心发出的光的光谱有发射线。1918年，柯蒂斯 (Heber Curtis) 发表了一篇论文，指出：M87存在喷流。此后，赫马逊 (Milton Humason) 、梅耶 (Nicholas Mayall) 等人都发现了同类星系。卡尔·塞弗特 (Carl Seyfert) 在此后研究了更多此类星系。1943年，塞弗特发表了一篇论文，总结了此类星系的性质，这是活动星系研究的一个重要里程碑，这类星系因此被称为“塞弗特星系”。除了M87等少数例子外，此前人们发现的那些性质奇特的发出发射线的星系都是比较亮的塞弗特星系。位于南天大麦哲伦云星系所在的天区附近的NGC 1559是一个不起眼的小棒旋星系，但却是一个美丽的塞弗特星系与星暴星系。它与地球的距离约为6100万光年，比大麦哲伦云星系远得多。这个塞弗特星系中心很明亮，旋臂中不断产生新的恒星，且不时发生超新星爆发现象：从1984年开始，天文学家从这个星系中发现了4颗超新星——SN 1984J, SN 1986L, SN 2005df与SN 2009ib。
图：哈勃的WFC3拍摄的塞弗特星系、棒旋星系NGC 1559的图像。NGC 1559位于南天的网罟座方向，距离地球大约6100万光年。它的直径大约为6万光年，总质量只有银河系的100分之1左右，但里面却非常活跃地形成新的恒星，因此也是一个星暴星系。图中区域的边长约为4万光年。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1806a/奇怪的知识：塞弗特星系的成因。星系中心大多数拥有超大质量黑洞。黑洞附近的的物质落向中心的黑洞，物质内部的粒子互相摩擦，温度急剧升高，在落入黑洞之前就发出了强烈的电磁波，包括X射线、红外线、可见光、紫外线等。这个过程使星系的核心异常明亮，成为活动星系核，星系也因此成为活动星系。塞弗特星系是几类活动星系中的一类。塞弗特星系NGC 1097位于天炉座方向，与地球的距离约为4500万光年。它是一个旋涡星系，但旋臂比较暗。它核心附近是一个环状物，这个环正在快速形成恒星，因此是星暴环。据估计，它的核心处有一个超大质量黑洞，质量达到太阳质量的1亿倍左右。
图：哈勃的ACS拍摄的塞弗特星系NGC 1097的光学与近红外线合成图像。图中区域的宽与高分别约为4.5万光年与2.9万光年，其中，中心星暴环的半径约为5千光年。
Credit: ESA/Hubble & NASA https://www.spacetelescope.org/images/potw1252a/ 塞弗特星系NGC 3079位于大熊座方向，与地球的距离大约为5000万光年。它同时是一个星暴星系，它的盘内形成大量恒星，这些恒星发出的紫外线将周围气体加热，使其发出鲜艳的红光。靠近核心的星系盘形成的恒星将周围的红色气体吹到盘外，形成一团巨大的“火焰”状星云，这团“火焰”的尺度达到了几千光年。在盘的引力的作用下，这些被吹出去的气体会回落下来，与盘中的其他气体碰撞，挤压气体，促进恒星形成。
图：哈勃的WFPC2拍摄的活动星系NGC 3079的可见光与近红外线合成照片。大图区域的宽与高分别约为4万光年与3.1万光年。大图中的中心区域被放大后放在右下方的小图中，小图中的区域的边长约为7400光年。小图中“火焰”上方的两个白色点可能是银河系内的恒星。Credit: NASA/ESA, Gerald Cecil, Sylvain Veilleux, Joss Bland-Hawthorn, and Alex Filippenkohttps://www.spacetelescope.org/images/opo0128a/ 令人惋惜的事实：1960年，塞弗特因车祸而英年早逝，享年只有49岁。《星际穿越》中被选为时空穿越工具的NGC 4438也是一个塞弗特星系，它被归类为“矮塞弗特星系”。它位于室女座方向，是室女座星系团的成员之一，距离地球约5200万光年，与另一个星系NGC 4435一起构成一对相互作用星系，昵称为“双眼星系”，在Arp特殊星系表中的编号为Arp120。更多的证据表明，NGC 4438曾经与NGC 4435, M86这两个星系碰撞过，这两次碰撞导致NGC 4438的一些气体被剥离出去。
图：哈勃的WFPC2拍摄的活动星系NGC 4438的部分区域的可见光照片。这部分区域包括了这个星系的核心（位于图中左下角）。图中区域的宽度与高度分别约为3.2万光年与1.8万光年。Credit: NASA/ESA, Jeffrey Kenney, Elizabeth Yalehttps://www.spacetelescope.org/images/opo0021c/ NGC 4438的核心有一个超大质量黑洞，周围物质落入其中，产生强大的辐射，吹出一个巨大的泡泡。下图为上图中截取出来的核心区域的图像。
图：哈勃的WFPC2拍摄的活动星系NGC 4438的核心区域的可见光图像。图中区域的宽度与高度分别为8000光年与6000光年。Credit:NASA/ESA, Jeffrey Kenney, Elizabeth Yalehttps://www.spacetelescope.org/images/opo0021b/ 塞弗特星系NGC 1566位于剑鱼座方向，是剑鱼座星系群的成员之一。它与地球的距离有较大不确定性，有的研究认为它的距离是2000万光年，有的研究认为它的距离是6900万光年。它有旋臂，也有棒状结构，但它的棒比典型的棒旋星系的棒短，因此其形态介于旋涡星系与棒旋星系之间。NGC 1566是至今为止被发现的第二亮的塞弗特星系。它核心的超大质量黑洞的质量是太阳质量的1300万倍。
图：哈勃的WFC3拍摄的塞弗特星系NGC 1566的紫外线、可见光与近红外线合成图像。假定它的距离为6900万光年，图中区域的宽与高分别约为5.5万光年与5.2万光年。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1422a/ 塞弗特星系NGC 6814位于天鹰座，与地球的距离约为7060万光年。它有着明亮的核心与壮观的旋臂，旋臂中正在形成大量恒星。据估计，它核心的超大质量黑洞的质量大约是太阳质量的1800万倍。
图：哈勃的WFC3拍摄的塞弗特星系NGC 6814的可见光与近红外线合成图像。图中区域的边长约为5.4万光年。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1619a/ 塞弗特星系NGC 7742位于飞马座方向，距离地球约7200万光年。它是一个旋涡星系，但核心亮度非常高且像一个切开的蛋黄。在NGC 7742的核心区域之外，有一个明显的环。理论上，一个星系要形成环，内部必须有棒状结构；但NGC 7742没有棒状结构。因此要想解释它的环，必须用其他理论。有人提出，NGC 7742此前与另外一个富含气体的矮星系碰撞过，因此产生了环。NGC 7742里面的一些气体绕核心旋转的方向与里面的恒星的旋转方向相反，这可以被视为NGC 7742曾与其他星系碰撞的证据。
图：哈勃的WFPC2拍摄的塞弗特星系NGC 7742的紫外与可见光合成图。图中的NGC 7742的中心区域像一个切开的蛋黄，周围环状区域正在形成新的恒星。图中区域的边长约为2.6万光年。Credit: Hubble Heritage Team (AURA/STScI/NASA/ESA)https://www.spacetelescope.org/images/opo9828a/ 与地球的距离约为8500万光年的塞弗特星系NGC 3081是一个非常奇特的星系，它的核心有棒状结构，外围有环，但又属于透镜星系，因此是“棒透镜环星系”。它的核心异常明亮，核心外面是一个共振环。这是一个星暴环，里面正在快速形成恒星。除了最内的这个环之外，它还有另外3个环。哈勃上面的光谱仪测量了NGC 3081核心附近的恒星的运动速度，研究人员据此计算了NGC 3081中心的超大质量黑洞的质量上限为太阳质量的850万到3700万倍。
图：哈勃的WFPC2拍摄的NGC 3081的核心区域的紫外线、可见光与近红外线合成图像。图中区域的宽与高分别为5万光年与3万光年。NGC 3081的直径约为6万光年，中心的星暴环的直径约为5800光年，外面3个环的直径分别为1.44万光年、3.7万光年与4.3万光年。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1423a/ 棒旋星系NGC 3259位于大熊座，与地球的距离约为9000万光年。它也是一个明亮的塞弗特星系。它的核心有一个超大质量黑洞，旋臂上的年轻的大质量恒星发出蓝白色光。
图：哈勃的ACS拍摄的塞弗特星系NGC 3259的可见光与近红外线合成图像。 Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1202a/ 旋涡星系NGC 7479位于飞马座，与地球的距离约为1.05亿光年。它以一对卷成反S形的旋臂著称。这对旋臂像一个螺旋桨，因此它也被称为“螺旋桨星系”。此外，它的核心非常亮，具有塞弗特星系的特征；它的旋臂与盘内的恒星形成率很高，满足星暴星系的特征。下图是哈勃拍摄的NGC 7479的图像。图中的3个亮星不是这个星系内的恒星，而是银河系内的恒星，恰好挡在了这个星系的前面。判断此类恒星的距离的重要方法是：银河系内的恒星很近，因此看起来一般比较明亮，可以在望远镜中产生四角芒，而遥远星系内的恒星看起来相对暗得多，不足以形成这样的四角芒。
图：哈勃的ACS拍摄的塞弗特星系、星暴星系、旋涡星系NGC 7479的可见光与近红外线合成图像。图中区域的边长约为8万光年。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1125a/ 塞弗特星系IC 2560位于唧筒座，是唧筒座星系团的成员之一，与地球的距离大约为1.1亿光年或者更远。它是一个棒旋星系，有明显的棒与旋臂。但最引人注目的是它极端明亮的核心。
图：哈勃的WPC3拍摄的塞弗特星系IC 2560的紫外线、可见光与近红外线合成图像。旋臂中蓝色区域是高温恒星与星团。图中带着四角芒的亮星是银河系内的恒星。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1335a/ 塞弗特星系NGC 5793以异常明亮的核心与漂亮的尘埃柱而著称。它也是一个旋涡星系，位于天秤座，与地球的距离约为1.5亿光年。
图：哈勃的WFC3拍摄的塞弗特星系NGC 5793的可见光与近红外线合成图像。图中区域的宽与高分别为9.3万光年与4.7万光年。Credit: NASA, ESA, and E. Perlmanhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1411a/塞弗特星系NGC 1275位于英仙座方向，与地球的距离大约为2.2亿光年。它以壮观的红色丝状物而著称。据估计，它内部的气体云的质量达到太阳质量的130亿倍。这些气体中的一部分被抛出星系之外，形成了包围信息的红丝网。这些“丝”的典型宽度约为200光年，长度可以达到2万光年，典型质量大约为太阳质量的100万倍。这些红丝的温度达到几百万摄氏度，但其周围的气体却高达5500万摄氏度。它们为何没有被周围气体加热？它们为什么能够维持现状的形状而没有被引力吸回星系？这些都是重要的问题。有研究认为，星系之间的磁场维持了这个壮观的丝结构。在明亮的核心旁边还有一些暗红色的气体云，它们是另一个星系中的气体，这个星系距离主星系的距离超过20万光年，但已经被主星系的引力撕碎，抛出的一些气体还形成了一些蓝白色恒星。
图：哈勃的ACS拍摄的塞弗特星系NGC 1275的可见光图像。图中带有四角芒的点是银河系内部的恒星，其他光团是这个星系附近的星系。图中上方的蓝白色丝絮状物由刚形成的恒星与周围的气体构成。图中区域的宽与高分别约为25万光年与19万光年。Credit: NASA, ESA and Andy Fabianhttps://www.spacetelescope.org/images/heic0817a/ 塞弗特星系PGC 83677位于后发座方向，距离地球大约3亿光年。根据其外形，它是一个透镜星系。它核心异常明亮，不仅发出明亮的可见光与红外线，还发出强烈的紫外线与X射线，因此天文学家推测它的核心有一个超大质量黑洞。
图：哈勃的ACS拍摄的塞弗特星系PGC 83677与背景星系的可见光与近红外线合成图像。图中还分布着众多看上去很小的星系，它们都是比PGC 83677远得多的背景星系。特别是，它的左边缘上面点缀着一个遥远的旋涡星系的图像，显得异常美丽。在PGC 83677所在的距离处，图中区域宽度约为25万光年，高度约为19万光年。Credit: ESA/Hubble & NASA https://www.spacetelescope.org/images/potw1637a/ 塞弗特星系2XMM J143450.5+033843位于室女座方向，与地球的距离大约为4亿光年。它是欧洲航天局的XMM-Newton天文台发现的X射线源之一，因此名称中带有XMM。它的名称中的数字代表着它在天空中的位置。哈勃观测了这个X射线源，确认它是一个塞弗特星系，它核心处发出的强烈的X射线使它成为一个X射线源。图中右上是另外一个星系，名称是2XMM J143448.3+033749。
图：哈勃的ACS拍摄的塞弗特星系2XMM J143450.5+033843的可见光与近红外线合成图像。这同时是一个X射线源。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1726a/ 在上面，我们已经展示了众多塞弗特星系的风姿，接下来我们要转向更明亮的一类星系：类星体。塞弗特星系虽然有明亮的核心，但它们核心之外的盘、旋臂等结构还是会很容易被辨认出来。类星体则不然，它们实在太亮了，以至于它们发出的强光会轻易地掩盖它们之外的盘、旋臂等结构。也正因为这个原因，首先发现它们的天文学家一度以为它们是类似于恒星的天体，而未意识到它们其实是某些活动星系的过度明亮的核心。3C 273是3C射电源表中的第273号天体。它发出强烈的射电辐射。天文学家用观测可见光的望远镜观测它，发现它是一个类似于恒星的天体，但距离却比一些星系更遥远，真实亮度远超过银河系的总亮度。3C 273与后来被确认的同类天体被称为“类星体”，3C 273也因此成为第一个被确认的类星体。奇怪的知识：3C射电源表。第二次世界大战之后，英国剑桥大学的天文学家用射电望远镜观测了天空中大量发出射电辐射的源，并将这些“射电源”编制为星表，此后升级的第二版与第三版分别简称为2C与3C，其中3C表于1959年发表。
图：哈勃的WFPC2拍摄的类星体3C 273的可见光图像。3C代表剑桥射电源第三版，273是这个天体在这个表中的编号。图中中央亮点仿佛一颗银河系内的明亮恒星，也产生了四角芒，但实际上却是遥远的类星体。中心亮点左上方的一条柱状条纹是类星体发出的喷流，长度达到了20万光年左右。图中区域边长约为71万光年。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1346a/ 奇怪的知识：比3C 273更早被观测到、却更晚被确认为类星体的3C 48。1960年，阿兰·桑德奇 (Allan Sandage) 发现3C表中的3C 48在可见光图像中是一个类似于恒星的天体，但因为其光谱非常奇怪，因此无法确定其本质。1963年，马丁·斯密特 (Maarten Schmidt) 发现3C表中的3C 273在可见光望远镜中也像一个恒星，但光谱非常奇怪。经过思考与分析，它发现这是因为这个物体运动非常快，使得其光谱急剧变红。在此基础上，他计算出了3C 273的距离在十几亿光年之外，3C 273因此成为第一个被确认的类星体。不久后，其他天文学家确认3C 48也是一个非常遥远的类星体。3C 273位于一个巨大的椭圆星系的核心区域，这个星系位于室女座方向。它距离地球约21亿光年，是距离地球最近的类星体之一。由于核心的3C 273过于明亮，这个星系的其他部分很难被观测到。为了得到这个星系的外围区域的图像，哈勃的ACS用特殊的仪器（“星冕仪”）挡住了核心的3C 273发出的强光，从而拍下了3C 273所在的星系的外围区域。
图：哈勃的ACS拍摄的类星体3C 273所在的星系的外围区域的可见光与近红外线合成图像。图中区域的宽与高分别约为21万光年与27万光年。Credit: NASA, M. Clampin (STScI), H. Ford (JHU), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), J. Krist (STScI), D. Ardila (JHU), D. Golimowski (JHU), the ACS Science Team, J. Bahcall (IAS) and ESAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo0303a/ 奇怪的知识：类星体的能源。类星体发出强光的原理对于塞弗特星系核心的发光机制类似，都是因为落向中心黑洞的气体与尘埃升温而发光。对于类星体，这些气体与尘埃发出的光特别强烈，远超过塞弗特星系的核心的亮度，也远超过类星体自己所在的星系的其他区域发出的光的亮度。发强光的区域比普通的星系小得多，因此在遥远的地方看上去，就像银河系内的蓝色恒星。位于大熊座方向的“马卡良231” (Markarian 231) 是与地球距离最近的类星体之一，它是马卡良星表中的第231号天体，与地球的距离大约为5.81亿光年。大多数类星体与地球的距离超过10亿光年。它也被认为是一个塞弗特星系。马卡良231的核心周围有一个气体环，正在快速产生新恒星，每年产生的恒星的质量达到太阳的100倍以上，因此这个环是一个星暴环，这个星系也因此同时是一个星暴星系。2015年，有一项研究认为，马卡良231的内部拥有两个黑洞，它们很可能是由两个带有中心黑洞的星系并合而成的。
图：哈勃的ACS拍摄的马卡良231的可见光与近红外线合成图像。图中区域边长约为33万光年。Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evanshttps://www.spacetelescope.org/images/opo1531b/ 奇怪的知识：马卡良星表。从1963年开始，本雅明·马卡良 (Benjamin Markarian) 开始观测一些发出明亮紫外线的天体，并在1967年发表了表格的第一版。此后多年，马卡良与合作者不断扩充这个表格，使其中的天体的数目达到3563个。这些紫外明亮的天体中有一部分是星系，它们被称为“马卡良星系”。马卡良星系中有155个塞弗特星系，596个类星体。这张星暴中还包括星暴星系、电离氢区等类型。绿色为主的气体云IC 2497位于小狮座方向，与地球的距离大约是6.5亿光年。这片气体云是附近的那个旋涡星系抛出的，旋涡星系核心的类星体发出的喷流撞击这片气体，将其中的氧加热，使其发出绿色光。这篇气体云的顶端是一些星团，发出橙黄色的光。据研究，旋涡星系核心的类星体已经在大约20万年前熄灭，使这个星系成为一个正常的星系。
图：哈勃的ACS与WFC3拍摄的IC 2497。这是一个发出绿色光与橙黄色光的气体云。图中区域的宽度与高度分别为15万光年与21万光年。气体云的总长度达到30万光年，图中显示的是它被类星体喷流点亮的那一部分。
Credit:NASA, ESA, William Keel (University of Alabama, Tuscaloosa), and the Galaxy Zoo teamhttps://www.spacetelescope.org/images/heic1102a/ 奇怪的知识：活动星系只是星系演化的一个阶段。活动星系能够“活动”，只是因为黑洞附近的物质落向黑洞。当黑洞周围的物质都落入黑洞之后，黑洞无法抓取更远的星系内更远的物质，就进入“休眠”状态。无论是塞弗特星系还是类星体所在的星系，最终都会因为核心的黑洞将周围的物质消耗完毕而成为普通的星系。我们的银河系的中心就有一个休眠的黑洞。
事实上，哈勃发现了众多被类星体的喷流点亮的气体云。这些类星体都已经进入休眠状态。类星体喷出的喷流将气体云中的氦、氧、氮、硫、氖等气体电离，这些离子发出各种颜色的光。其中，绿光为电离氧发出的光。
图：哈勃发现的众多被类星体点亮的气体云中的8个。这些图由ACS, WFC3与WFPC2得到的可见光与近红外线数据合成而来。上排从左到右分别为茶杯星云 (2MASX J14302986+1339117) , NGC 5972, 2MASX J15100402+0740370与UGC 7342；下排从左到右分别为NGC 5252, Mrk 1498, UGC 11185与2MASX J22014163+1151237。Credit: NASA, ESA, Galaxy Zoo Team and W. Keel (University of Alabama)https://www.spacetelescope.org/images/heic1507a/ 类星体0316-346与地球的距离大约为22亿光年。它所在的星系产生了一个明显的扭曲的尾巴状结构，即潮汐尾。这意味着它所在的星系与附近的某个星系产生了相互作用。与它相互作用的星系不在图中。
图：哈勃的WFPC2拍摄的类星体0316-346的可见光图像。Credit: John Bahcall, Mike Disney, and NASA/ESAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo9635a3/ 奇怪的知识：活动星系会复活。当黑洞将周围近处的物质吃完之后，黑洞就进入休眠状态，活动星系成为普通星系。不过，星系的相互作用与并合，有可能将远离黑洞的物质挤压到黑洞的势力范围内，使黑洞重新吞咽送到嘴边的物质，普通星系重新进入活动星系的状态。类星体本质上是活动星系的核心。这个活动星系就是类星体的“宿主星系”。理论上，所有类星体都位于某一个星系的核心，因此它们都有对应的宿主星系。但实际上却发现有些类星体没有宿主星系。比较著名的粒子是类星体HE0450-2958，它没有宿主星系。天文学家猜测，这可能是因为它的宿主星系与另外一个星系碰撞，导致它从宿主星系的核心脱离出来，成为独立的类星体。
图：哈勃的ACS拍摄的两个类星体的比较。左图中间为类星体HE0450-2958，距离地球约50亿光年，下方是一个近得多的恒星。这个类星体没有宿主星系；左图上方有一个扭曲的星系，可以为这个猜想提供证据。右图为另一个类星体HE1239-2426，它距离地球大约15亿光年，它明显地位于一个旋涡星系的核心。Credit: NASA/ESA, ESO, Frédéric Courbin & Pierre Magainhttps://www.spacetelescope.org/images/heic0511a/ 如果我们找出一些星系的图像附近的类星体，就会发现它们真的就像一个个点，这与那些遥远的背景星系大不一样——那些几十亿光年之外的背景星系虽然比前景星系小得多，但依然是显示出一定结构的光团，而同样距离尺度的类星体却只是一个个没有几何外形的白点。
图：哈勃的ACS拍摄的棒旋星系NGC 1073与同框的3个类星体PKS 0241+011, QSO B0240+011与[VV96] J024333.6+012222的可见光图像。它们都位于鲸鱼座方向，其中，NGC 1073距离地球约5500万光年，3个类星体都比它远得多，距离达到几十亿光年。图中左上角的IXO 5可能是一个黑洞与普通恒星构成的双星。图中还有一些红色的遥远的背景星系的图像，如左上方区域的几个红色光团，它们的大小比类星体大得多。https://www.spacetelescope.org/images/heic1202b/ 奇怪的知识：射电噪类星体与射电宁静的类星体。最早被发现的一些类星体都是射电源的可见光对应体，因此都是射电噪类星体。后来天文学家又发现了大量几乎不伴随射电辐射的类星体，它们被归类为射电宁静类星体。
穿行122亿年来找你：QSO J0003-26031993年底，对哈勃的第一次维修完成，WFPC2替代了WFPC，哈勃因此可以使用它来观测非常遥远的天体，这些天体即使非常明亮，也会因为过于遥远而显得暗淡。1994年，NASA公布了一个非常遥远的类星体的图像，它位于玉夫座方向。它的这束光是在宇宙的年龄只有16亿年的时候发出的，经过122亿年的跋涉，才来到地球。
图：哈勃的WFPC2拍摄到的类星体QSO J0003-2603的可见光图像，它位于玉夫座方向。左图为地面望远镜拍摄的区域，其中小方框内几乎看不到任何天体。哈勃持续观测了其中白色小方框内的区域。中图为这块区域的放大图，里面显示出里面众多星系，其中有一个是非常遥远的类星体，即QSO J0003-2603，其放大图见右上图。这颗类星体发出的光经过122亿才到达地球，当时的宇宙年龄才16亿年。Credit: Duccio Macchetto (ESA/STScI), Mauro Giavalisco (STScI), and NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo9452b/
文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表22篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。
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