空中课堂 类星体——宇宙中最遥远的天体

空中课堂  类星体——宇宙中最遥远的天体

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类星体是目前已知最遥远的一种天体。截至2021年1月,天文学家探测到的最远的类星体距离我们约295亿光年。但是在发现初期,确定类星体距离却让天文学家面临重重困难。

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图1:3C 273光学波段图像,哈勃空间望远镜WFPC2拍摄

类星体在上世纪50年代末被发现,由于其在光学波段看上去和普通恒星似乎没有区别,因此被命名,后被确定属于星系的一种而非恒星类天体。

对类星体距离认识的重要突破首先来自于对其红移的确定。在1963年之前,类星体光学波段光谱就已经被观测到,但存在一个令人非常困扰的问题:类星体光谱中发射线的位置与已知的原子谱线都不符合,很难被认定。

直到1963年2月,荷兰天文学家马尔滕施密特通过仔细观察类星体3C 273的光学谱线,发现其发射线的特征符合氢元素的巴耳末线系,只是谱线位置向红端移动了。施密特测量出3C 273发射线所在波长是实验室静止波长的1.158倍,确定了其红移为0.158。以此为开端,在接下来的两年中,越来越多类星体的红移被确定,并且都具有比3C 273还大很多的红移值。

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图2:施密特在1963年用于确定类星体3C 273红移的光谱

接下来天文学家面临着类星体是河内天体还是河外天体的问题。如果类星体处于宇宙学红移,那么推算出的其光度将是普通星系的100倍以上。此外,类星体的光变表明其辐射范围不会超过几光天。类星体如此紧致又如此明亮,如果要防止其被自己的辐射压吹散,它的自身质量至少要达到百万个太阳质量。这些观测结果提出了一个很大的难题:一个大小相当于太阳系,质量相当于百万个太阳质量的天体是如何辐射出100倍于普通星系能量的?当时很难找到可以解释的理论。所以,有科学家提出类星体是非宇宙学距离的天体,但都很难有自洽的结论。直到20世纪70年代,黑洞吸积盘机制的提出,成功解释了类星体的高辐射来源,也使得类星体是宇宙学距离的天体被普遍认可。

类星体距离的确定非常关键,不但让人们认识到超大质量黑洞的真实存在,也使研究早期宇宙再电离时期成为可能。类星体极大的促进了黑洞物理、星系演化、宇宙学等方面的研究。类星体自身和它们引发的谜团仍然很多,刺激着科学家的不断探索。

原创文章,作者:阿峰,如若转载,请注明出处:http://51xz.net/644.html

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