第313章 活动星系（1/2）

活动星系（ActiveGactiuclei,AGN）是宇宙中一类特殊的星系，其核心区域存在异常剧烈的活动现象，辐射能量远超普通星系。这类星系的核心通常被认为隐藏着超大质量黑洞（百万到数十亿倍太阳质量），通过吸积周围物质释放巨大能量。以下是活动星系的关键特征和分类：

核心特征

1.超大质量黑洞：中心黑洞吸积气体、尘埃等物质，形成高温吸积盘。

2.极端亮度：辐射覆盖从无线电波到伽马射线的全电磁波段，亮度可达普通星系的千倍以上。

3.喷流与辐射：部分AGN产生高速相对论性喷流（接近光速），延伸数千光年。

4.变光性：亮度可能在数天至数年内剧烈变化，反映吸积过程的不稳定性。

主要类型

1.类星体（Quasar）

最明亮的活动星系，红移高（通常遥远），可见光波段显着。

喷流较弱或无，能量主要来自吸积盘。

2.射电星系（RadioGaxy）

强射电辐射，具有对称的巨型喷流和瓣状结构（如天鹅座A）。

分为低功率（FRI）和高功率（FRII）两类。

3.赛弗特星系（SeyfertGaxy）

近邻的较暗AGN，分两类：

Ⅰ型：宽窄发射线并存，可见吸积盘辐射。

Ⅱ型：仅窄发射线，视线被尘埃环遮挡（符合统一模型）。

4.耀变体（Bzar）

喷流直接朝向地球，表现为极端变光和偏振（如BLLac天体）。

包含光学剧变类星体（OVV）和BLLac天体。

能量来源

吸积盘：物质落入黑洞时摩擦加热，释放引力能（效率可达10%40%）。

喷流：黑洞旋转或磁场提取能量，加速粒子至接近光速。

观测意义

宇宙学距离：类星体作为高红移探针，研究早期宇宙。

星系演化：AGN反馈可能调控恒星形成，解释星系大小与黑洞质量关联。

极端物理：喷流和吸积过程涉及相对论性物理、等离子体行为等。

统一模型

尽管AGN表现多样，但差异可能主要源于观测视角和遮蔽程度（如尘埃环的遮挡），而非本质不同。例如：

赛弗特Ⅰ型与Ⅱ型的区别可能源于视线是否穿过尘埃环。

耀变体的特殊性因喷流对准地球而放大。

活动星系的研究持续推动着对黑洞物理、星系演化及宇宙高能现象的理解，是现代天体物理学的核心课题之一。

一、类星体（Quasar）是宇宙中最明亮的活动星系核（AGN）之一，本质上是超大质量黑洞剧烈吸积物质释放能量的极端天体。以下是关于类星体的详细解析：

基本特征

1.超高亮度：

单颗类星体的光度可达银河系的数百至数千倍，但核心区域仅比太阳系稍大。

能量主要来自黑洞吸积盘（效率远高于恒星核聚变）。

2.遥远性与高红移：

多数类星体红移\(z＞0.5\)，最远观测到\(z\si7.5\)（宇宙年龄约7亿年时）。

因其极亮，可作为研究早期宇宙的“灯塔”。

3.光谱特征：

宽发射线（来自高速气体云，速度达数千k/s）。

强紫外/光学连续辐射（吸积盘热辐射）。

部分有射电辐射（喷流贡献，但仅约10%类星体有明显喷流）。

能量机制

吸积盘：物质落入黑洞前形成高温盘面，温度达数万度，辐射紫外/光学波段的“蓝光”。

宽线区（BLR）：吸积盘外围高速气体云受辐射激发，产生宽发射线（如Hα、CIV）。

喷流（部分）：磁场提取黑洞旋转能量，形成相对论性喷流（射电类星体）。

分类

1.射电宁静类星体（占比90%）：

无强射电喷流，辐射以吸积盘为主。

2.射电噪类星体（占比10%）：

具有喷流，可能呈现为射电瓣或核心喷流结构。

若喷流朝向地球，可能表现为耀变体（Bzar）。

观测意义

1.宇宙学探针：

高红移类星体揭示早期宇宙（如再电离时代）。

吸收线（如莱曼α森林）研究星系际介质。

2.黑洞与星系共演化：

类星体阶段可能是星系演化的关键期，其反馈（如辐射与喷流）抑制恒星形成。

3.极端物理实验室：

验证广义相对论、吸积盘理论、喷流加速机制等。

着名类星体举例

3C273：首个被确认的类星体（1963年），红移\(z=0.158\)，光学亮度12.9等。

ULASJ1120+0641：早期宇宙类星体（\(z=7.1\），存在约7亿太阳质量黑洞。

APM08279+5255：引力透镜放大类星体，亮度极高，研究黑洞吸积极限。

未解之谜

快速成长：早期宇宙中已存在超大质量黑洞（如\(z＞6\)的类星体），如何在短期内形成仍待解释。

燃料供给：如何持续稳定地向黑洞输送气体以维持高吸积率。

喷流形成：喷流的精确触发与准直机制尚未完全清楚。

类星体作为宇宙中最狂暴的天体之一，不仅挑战人类对黑洞物理的认知，也为理解星系演化提供了独特窗口。随着詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）等新一代设备的观测，未来或揭开更多关于类星体与早期宇宙的奥秘。

二、射电星系（RadioGaxy）

射电星系是一类具有强烈射电辐射的活动星系核（AGN），其核心的超大质量黑洞通过吸积物质产生能量，并形成对称的射电喷流和瓣状结构，延伸至星系外数十万甚至数百万光年。

1.基本特征

（1）射电辐射

射电辐射强度远超普通星系（可达\(10^{37}\si10^{41}\)W），主要由同步辐射（高能电子在磁场中偏转）产生。

射电波段（\(\si10^7\si10^{11}\)Hz）占主导，但部分射电星系也发射X射线、光学甚至伽马射线辐射。

（2）喷流与瓣状结构

相对论性喷流：从黑洞两极射出接近光速的等离子体流（电子+质子或正负电子）。

射电瓣（RadioLobes）：喷流在星际或星系际介质中受阻，形成巨大的能量储存区，辐射射电波。

热斑（Hotspots）：喷流末端冲击介质形成的明亮高能区域（如天鹅座A的中心热斑）。

（3）光学对应体

射电星系的核心通常有一个椭圆星系或巨椭圆星系宿主，但光学亮度可能远低于类星体。

部分射电星系的光谱显示窄发射线（如\[OIII\]、Hα），符合赛弗特Ⅱ型的特征。

2.分类（FanaroffRiley分类）

射电星系根据喷流结构和射电亮度分布可分为两类：

类型FRI（低功率射电星系）FRII（高功率射电星系）

喷流形态喷流逐渐变宽并消散喷流保持准直，末端形成明亮热斑

亮峰位置靠近核心喷流末端（热斑）

射电功率(＜10^{25},\text{W/Hz})(＞10^{25},\text{W/Hz})

典型例子M87（室女座A）天鹅座A（A）

FRI（如M87）：喷流较暗，能量逐步耗散，可能由于环境介质较稠密。

FRII（如天鹅座A）：喷流保持高度准直，末端冲击形成明亮热斑，通常出现在较稀疏环境中。

3.着名射电星系

（1）天鹅座A（A）

最强大的射电星系之一，距离约6亿光年。

具有典型的FRII结构，射电瓣延伸达50万光年，中心黑洞质量约\(2.5\tis10^9M_\odot\)。

X射线观测显示热气体晕和喷流冲击波。

（2）M87（室女座A）

FRI型射电星系，核心黑洞质量\(6.5\tis10^9M_\odot\)。

事件视界望远镜（EHT）拍摄的首张黑洞照片（2019年）即来自M87。

喷流在光学和射电波段清晰可见，延伸约5000光年。

（3）半人马座A（taurA）

最近的射电星系（约1200万光年），具有扭曲的射电瓣，可能是并合遗迹。

同时具有FRI和FRII特征，可能处于过渡阶段。

4.射电星系的形成与演化

（1）能量来源

黑洞吸积：物质落入黑洞时释放引力能，驱动喷流。

黑洞自转（BndfordZnajek机制）：旋转黑洞的磁场提取能量，加速喷流。

（2）环境影响

FRI：通常位于星系团中心，周围介质较稠密，喷流受阻而耗散。

FRII：多出现在较稀疏环境，喷流能长距离传播并形成热斑。

（3）演化结局

射电星系可能随时间演化为射电宁静椭圆星系，喷流停止后，射电瓣逐渐消散。

部分射电星系可能经历多次活动期，形成复杂的射电结构（如双双子源）。

5.研究意义

黑洞物理：喷流形成机制（磁流体动力学vs.相对论性效应）。

星系演化：射电反馈如何影响星系气体和恒星形成。

宇宙探针：射电星系可用于研究星系团介质和宇宙大尺度结构。

射电星系不仅是宇宙中最壮观的喷流现象之一，也是研究黑洞、星系演化及高能天体物理的关键对象。未来平方公里阵列（SKA）等射电望远镜将揭示更多射电星系的奥秘。

三、赛弗特星系（SeyfertGaxy）

赛弗特星系是一类低光度活动星系核（AGN），其核心存在活跃的超大质量黑洞，但整体亮度低于类星体。它们通常位于近邻宇宙（红移\(z＜0.1\)），是研究AGN物理的重要实验室。

1.基本特征

（1）光学光谱

强而窄的发射线（如Hα、Hβ、[OIII]5007?），来自黑洞周围电离气体。

部分具有宽发射线（如Hα、Hβ线宽度达数千k/s），反映高速运动的宽线区（BLR）气体。

本章未完，点击下一页继续阅读。