类星体Quasar和耀变体Blazar(20211109150740)

1、圖二 Blazar “BL Lac光變曲線類星體Quasar和 耀變體Blazar 朱永鴻在宇宙深處，有些星系核是很活躍的，核的中心蘊藏一個特大質量黑洞(SupermassiveBlackhole,它強大的引力正在吞併周圍的物質，越近黑洞，待吞的物質便越容易吸積起來 成盤狀，並且以高速互相磨擦，產生高熱和寬頻輻射，包括射電波、光波、X和 射線。黑洞質量可以超過太陽的十億倍，小者亦有百萬倍，吸積盤的輻射功率也驚人，比太陽多 10111015倍，即使遠至幾十億光年以外，在照片上仍然亮似星點，這種“類似星點但不是恒 星的異常天體稱為 Quasi-stellar Objects (QSO)最早發現的一

2、批 QSO全是射電+光學對應 體，原叫Quasi-stellar Radio Sources以別于正常天體的射電，不過今天很少人採用原名了， 有無射電或光學對應也好，一律叫它們QSO或QUASARs，中譯類星體。至2006年，已目錄的類星體有85,000個( :/ obs-hp.fry，其中十分一帶射電資料。用圖一說明，類星體大概是地球人從側面 A遙看吸積盤所得的光點，如果剛巧是 B(吸 積盤轉軸方向)，看起來有點像變星，正名Blazar耀變體，全天約有一千個，以蠍虎座的 BL Lac為代表，它的亮度可以在數週內從14等上升或下降一兩級，變化也不甚規則，像圖 二。耀變體的機制還未徹底明白，推論

3、是：特大質量黑洞像一部超勁的拖曳機器，把盤內 旋轉的游離物質加速及拖引至軸心方向，當加速產生的離心力大過黑洞引力時，部份物質 反而沿轉軸外洩，形成兩束噴流 Jet),噴流裡的近光速帶電粒子受磁場影響，產生同步輻 射，耀變體正是這種同步輻射變化的觀測印象。事實上，噴流曾被偵察過，圖三是哈勃 太空望遠鏡以紅外線獲取的 M87星系，距離五千萬光年，噴流裡的物質不平均，長約五千 光年，但並非指向地球，故此 M87不是耀變體，也不像類星體，因為它的距離不算太遠， 哈勃鏡見到的並非光點而是一個大型橢圓星系。在射電望遠鏡中，M87是射電星系。吸積盤 Accrelion Disk自旋的 特大買童黑洞類星髏 Q

4、uasarA 同步輻射近光速的帮佬粒子 沿磁場螺錠前進、 在粒子運動的切線 方向產生同步輻射、耀變船Blazar圖三 M87噴流圖一類星體Quasar和耀變體Blazar回顧類星體，它們的紅移通常偏大 (Z > 0.1)，距離地球以十億光年計，因此類星體可能在 宇宙前期巳經出現了，後來體內的活動逐漸減退，變成現在的非活躍星系，類星體就像一個正常星系的前身。部份學者更認為，早期的銀河系並不穩定，它的中心黑洞一直吞併 鄰近物質，後來不知怎樣，吞併停止了，噴流熄滅，銀河系演化成今天的非活躍狀態，不 過在銀心的黑洞仍然存在，它只是自隱起來等待復發，再次吞併鄰近的物質。黑洞何時復 發?無人知道。圖

5、四是想像中的一種可能性：銀河系有兩個伴星系大、小麥哲倫雲(Magellanic Clouds),它們以接近90°交角繞銀盤旋轉，目前離太陽缺乏 20萬光年，假设干億 年後，大小麥哲倫雲可能旋墜到更近距離，剌激銀心的黑洞復發亦未可料！射電觀測表明，在南天有一道1100長的麥哲倫流，正好說明少量物質(中性氫)曾經從麥哲倫雲流向引力較強的銀河系。圖四大、小麥哲倫雲與銀河系鍛河系麥哲倫流小麥哲倫真SMCLMC大麥輯倫導圖五是全天最亮的類星體，劍橋編號 3C273位于室女座，赤經12h29.1m，赤緯+020 03.1 ' 目視+13等，用中型望遠鏡可見。它看似星點，但輻射流量比正常的

6、深空天體大很多倍， 光譜也與普通恒星不同，以太陽為例作比較，它的表層(光球)吸收了下層元素激發的相應能量，所以太陽光譜有許多暗的吸收線，3C273根本上一個超亮的活躍星系核，沒有所謂表層吸收，視線內也找不到外來障礙物，因此在紅藍波段內沒有明顯的吸收線，反而找到 以氫為主的發射線Hb、H、Hs 等等，氫線源自包圍星系核的低溫低壓氣暈(Gas Halo)氣暈被星系核的高能輻射照耀，通過螢光作用產生一系列發射線，量度它們的紅移，得Z =0.16和距離20億光年。3C273已經比上述的M87星系遠40倍，但距離仍屬一般，有些類 星體的紅移更甚，達 5.8甚至6.4，見“史隆數碼天空勘察網頁 :/ sd

7、/news/(2000 April & 2003 January)這些類星體距離地球超過一百億光年，已接近宇宙模型的可視 邊界了，其他次亮的類星體可參閱 /spider/spider/Misc/qso.html圖五類星體3C273的光譜310*射重一-有時，類星體被視線之內但距離更近的星系際氣體阻擋圖六，光譜便出現一組發射線和另外一組吸收線，前者由類星體引起，後者由光波通過星系際氣體引起。假設發射線有四 條、它們的紅移都是Zq = 1.70距離80億光年，吸收線有兩條，但紅移分別是 Z1 = 0.41和 Z2 = 0.62,很明顯，Z1的星系際氣體離地球最近，Z

8、2次之，類星體Zq則最遠，天文學 家就利用這種紅移各異的線索，研究星系際物質在空間的分佈情況。如果不加說明，類星 體的紅移是指發射線的紅移。向地球星慕際氣體Intergalactic Gas 類星體QuasarZq、氣竜Gas Halo圖六星系際氣體由星系際氣開引超的吸收線%h «|近紅外由類星體引起的發射線Zq杠移比較Zq > Z2 > Zi用射電觀測，類星體3C273是一大一小的雙射電源，如圖七的 A和B,奇怪的是A至B的 距離在兩年內竟然增加0.002角秒，相當于20光年，好似B以十倍光速跑開。這種“視超 光速運動Superluminal Motion的假象怎會發生

9、呢？原因是：A是活躍星系核主體，B是 噴出物，假设B以5 / 6光速斜向地移開，6年後，AB之間便是5光年，相當于縱位移AA '二 4光年與橫位移A ' = 3光年。如果第一道的A電波在2005年到達地球，第二道的B電波 在2007年便收到了 即是從A到B的6年時間減去從A到A'的4年時間視覺上我們以 為在兩年內見到3光年A'的位移，導至1.5倍光速的假象。當斜角 二變窄，B以更快 速度離開A時，這種視覺假象便越明顯，甚至超越光速50倍。讀者可以試算-B以99% 光速離開A，二=10°,結果視超光速是多少呢？答案是7倍。圖七視超光速運動0J0O2M&#

10、39;_|E1977.61979.53C273射我圖寵袒封逹地球儀波到達堆球2005年*2007年圖八是另一種因“光速有限及“時間系統不同而出現的光變假象：中央是一個活躍星系核類星體的發光部份，上下兩瓣從射電圖轉移過來，代表兩束噴流引起的射電對應 區，稱為射電瓣Radio Lobe核邊發出兩道指向地球的光波 P和Q，Q比P滯後一光年， 平時目視亮度不變，假设某種原因令 Q比P “突然增光兩倍，觀測者只會感覺到“一年 內增光兩倍而已，比原本的光變慢得多，雖然如此，它卻曝露了星系核的大小，例如在0.1 年內記錄到最大光變，我們便約略知道這核的直徑不會超過0.1光年。活躍星系核的發光部份可以小至1/

11、500光年太陽系外圍，也可以大過1光年，視乎中心的黑洞質量而定成， 不過與射電瓣比較，星系核只是小巫。射電瓣為什麼這樣大呢？可能是由于噴流的高能電子向外端稀薄的星際物質或氣暈擴散，形成大面積的同步輻射區，然而，高能電子的同步 輻射頂多持續幾百年便耗盡，有幾千光年寬的射電瓣便令人費解了，這個矛盾仍然有待解 決。圖八光變假象g比Pimi光年Radio Lobe向地球活躍星系垓* Active Galactic Neclcu5射電瓣 Radio Lobe還有一點要注意，紅移只是天體退行的指標，例加Z = 3,表示從Big Bang 大爆炸起計，天體已隨空間膨脹向後退行約 100億光年，這是基于空間以

12、低于光速膨脹的理念，不過許 多表示，早期的宇宙有可能以超光速膨脹，假设然，Z = 3的類星體便可以在100億年內退行超過100億光年！換言之，我們不能單靠紅移去推斷宇宙的年齡。從其他統計， 我們得知最老的天體是銀河系裡的球狀星團，它們的年齡是150億年，暗示Big Bang有可能在150億年前或更早開始。宇宙的年齡到底是多少 ？且看將來的研究發展。最後總結一下：類星體Quasar和耀星體Blazar其實是同類的天體，只是視向不同, 光波和射電的表現便各異。兩者都是由活躍星系核裡的特大質量黑洞吞併周圍的物質 引起，紅移偏大，所以距離甚遠，研究它們有助了解宇宙的早期歷史。註當帶電粒子主要是電子群在

13、強力磁場中運行至接近光速時，它們都發出一種特殊的輻射，性質類似地球上粒子同步加速器的實驗結果，所以取名同步輻射Synchrotron Radiation同步輻射與常見的熱輻射 Thermal Radiation不同，見附圖。 在紫外線至紅外線頻段，同步輻射的強度隨著波長增加，到射電範圍下跌再升，同步 輻射具有很強的偏振性Polarization用射電觀測，天線定向要扭轉 9C0。熱輻射則在 頻譜某處出現頂峰，溫度越高，峰幅越大，相應的波長也越短。類星體是熱輻射+同步輻射的綜合物，熱輻射通常來自高溫的吸積盤，同步輻射來自噴流的近光速帶電粒 子。偏振平向偏振(Polarization磁埸註從紅移，

14、我們可以估計類星體因宇宙膨脹而引至的退行速度和距離：例如Z = 0.50,表示類星體的譜線向紅端移動了原波長的50 % 即是紅移後譜線波長是原值的1.50倍，它離地球約40億光年，現時見到的其實是它在40億年前的影像。當觀測範圍伸 展至100億光年Z = 3 4,類星體在空間的分佈最密，說明早在100億年前，類星體已普遍存在，其後它們演化成正常星系，在近距範圍少于20億光年的數目便劇減了。紅移Z退行速度光速=1距離* 億光年類星體的分佈比較*(relative quasar count per Mp)c0.100.09513接近零0.250.2227< 0.10.500.38431.000.60651.500.72780.12.000.80860.73.000.88981.04.000.921040.85.000.951090.401.00130-* 假設