第313章 活动星系（1/2）

活动星系（active gctic nuclei, 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（radio gxy）

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（fr i）和高功率（fr ii）两类。

3. 赛弗特星系（seyfert gxy）

近邻的较暗agn，分两类：

1型：宽窄发射线并存，可见吸积盘辐射。

2型：仅窄发射线，视线被尘埃环遮挡（符合统一模型）。

4. 耀变体（zar）

喷流直接朝向地球，表现为极端变光和偏振（如blc天体）。

包含光学剧变类星体（ovv）和blc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1型与2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 \\sim 7.5 \\)（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km\/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ha、c iv）。

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（zar）。

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a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

3c 273：首个被确认的类星体（1963年），红移 \\( z=0.158 \\)，光学亮度12.9等。

s j1120+0641：早期宇宙类星体（\\( z=7.1 \\），存在约7亿太阳质量黑洞。

apm 08279+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（radio gxy）

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} \\sim 10^{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（\\(\\sim 10^7 \\sim 10^{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（radio lobes）：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\\[o iii\\]、ha），符合赛弗特2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（cygnus 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（cygnus 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 \\times 10^9 m_\\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 \\times 10^9 m_\\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（centaurus a）

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（ndfordznajek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（seyfert gxy）

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ha、hβ、[o iii] 5007?），来自黑洞周围电离气体。

部分具有宽发射线（如ha、hβ线宽度达数千 km\/s），反映高速运动的宽线区（blr）气体。

（2）光度