20世紀上半葉,射電天文學的興起無疑為天文界注入了一道新的活力,當天文學家們試著用各種不同的波段對宇宙來個“大普查”時,一種奇怪的天體進入了他們的視野——類星射電源 。 這些天體在許多頻率發出強烈輻射,但是一開始天文學家們並不能看到這些天體在可見光波段對應的樣子,後來通過干涉的方法才得知,原來是因為它們看起來實在是太小太暗了。
馬丁·施密特與他分析類星體光譜所使用的顯微鏡
1960年,美國天文學家托馬斯·馬修斯和艾倫·桑得奇在其中的一個射電源3C48的位置上找到了一個像恆星一樣的藍色天體(視星等約16等)。 隨後越來越多這樣的射電源也找到了像恆星一樣對應的光學天體。 天文學家們起初認為它們不過是銀河系中的普通恆星,可奇怪的是,它們的光譜同3C48 一樣,都出現了一些從沒見過的發射線。
3C273與3C48的譜線紅移
1963年,荷蘭天文學家馬丁·施密特獲得了射電源3C273的光譜,同樣發現了一些奇怪的發射線。 經過分析測量後,施密特給出了他的答案。 原來,3C273光譜中陌生的發射線其實是氫譜線,只是發生了很大的紅移,z=0.158,用哈勃-勒梅特定律計算便可得到它距離我們差不多有25億光年之遙,天文學家從沒見過如此極端的紅移,因此這些發射線的本質才瞞過了我們的雙眼。
而3C273的視星等約為12.5等,由此不難得出它的絕對星等為-26等,比一般的星系還要亮,然而它的體積非常小,也許不大於太陽系! 隨後施密特等人又測量了3C48的光譜,發現它的奇怪發射線其實是氫和鎂發生更大紅移後的譜線,z=0.37,這意味著3C48距離我們遠在40億光年之外,並且正以差不多9萬km/s的速度遠離我們,這幾乎達到了光速的三分之一!
類星體藝術圖(圖片來源於ESO)
從上面的敘述可以看得出這些天體的特徵:距離遙遠、體積小但光度很大。 上面說過的這些天體是作為射電源被發現的,但後來發現一些類似天體,有著較大紅移,光學波段的特徵同類星射電源相仿,但沒有射電輻射,於是把這些天體同類星射電源一起稱為類星體(quasi-stellar object,簡稱QSO),類星體中有90%基本不發出射電輻射。
當然,僅僅觀測到類星體是遠遠不夠的,如何解釋這種現象成了關鍵,這也使得一些天文學家為了揭開關於這種神奇天體的奧祕進行了幾十年的探究。
哈勃空間望遠鏡拍攝的3C273,右為擋住中央類星體之後的影象
之前提到了類星體距離我們十分遙遠,可在地球上看來它們的亮度卻和我們銀河系的大多數恆星差不多,顯然它的輻射功率一定遠遠大於我們的認知(類星體的光度可達銀河系的上千倍),而這麼大的輻射功率卻又集中在只有幾光年甚至幾光天、幾光時的區域,這讓天文學家們十分費解。
1981年,天文學家發現了3C48周圍的模糊的星雲狀物質並獲得了其光譜,測量顯示光譜紅移與3C48相同,說明兩者在相同距離處,3C48是一個星系的明亮核心。
後來哈勃空間望遠鏡觀測到了很多類星體的宿主星系,支援了類星體的本質是活動星系核(active galactic nucleus,簡稱AGN)的觀點,現在這一觀點已得到普遍認可。
在宿主星系的核心是一個超大品質的黑洞,受到強大引力的作用,周圍的氣體塵埃等物質繞著它高速旋轉形成了一個巨大的吸積盤,有些物質一不小心落入了黑洞,發出強烈輻射,在這個過程中又會伴隨著強大的噴流,而黑洞強大的磁場又會限制著它們只能朝著兩極噴出,如果噴出的方向剛好朝著地球附近,便形成了類星體~(若噴流朝向其他方向,則表現為其他型別的活動星系核)。(來源:星明天文臺)