认识类星体

认识类星体

（清风科普于2021年03月17日）

类星体，无论望文生义也好，还是天文观测也罢，都指向类似于恒星类的天体。如果谁真的这样去理解？那真是大错特错了！实际上类星体并不是 “恒星级别” 的天体，而是 “星系级别” 的怪物，有的类星体甚至超过银河系的总质量。

01. 类星体的发现：

1960年美国天文学家艾伦·桑德奇，用一台5米口径的光学望远镜，找到了剑桥射电源第三星表第48号天体（3C 48）。他发现3C 48光谱中存在一个又宽又亮的奇怪射线带，看似恒星，又不是恒星。随后人们十分关注3C 48，又有了诸多新发现：①星体很小，光学直径<1"（角秒），只是一个光点，与恒星很难区别，所以叫类星体。②它会发出极亮的非比寻常的蓝光；③存在着无线电波波段信号特性；④具有连续光谱及其强烈的辐射谱线。

注：角度制规定，圆周角的1/360为1度角，记作1°。用度(°)、分(′)、秒(″)来测量角的大小。其中，1°=60′，1′=60″ 。

2015年03月03日，中国科研团队发现一颗类星体，距离地球128亿光年，光度是太阳的430万亿倍，中心黑洞质量为120亿个太阳质量。它是人类所见最遥远最明亮、中心黑洞质量最大的类星体。这个宇宙早期的 “庞然怪物”，是用云南丽江2.4米口径的光学望远镜最早发现的，其红移z=6.30，也是高得令人称奇！

2015年5月夏威夷凯克天文台，发现4颗类星体欢聚场景，还有4个活跃的黑洞，而且彼此相距很近。

类星体的发现意义重大，它与脉冲星、微波背景辐射、星际有机分子，被并列为20世纪六十年代天文学的 “四大发现”。

02. 具有很大的红移（z）：

红移有三种：①多普勒红移：由于辐射源在固定空间，远离我们而去的红移；②引力红移：由于光子为了摆脱引力场，而向外辐射的红移；③宇宙学红移：由于宇宙爆炸性膨胀所造成的红移。

多普勒效应引起的红移和蓝移，很容易被检测出来，使天文学家能精准算出：天体空间运动速度的快慢。

天体红移的量度用z表示，如果z=0.1，则表示频率降低了10%，意味着恒星以1/10的光速远离我们而去。但仙女座星系的光谱显示蓝移，意味着它距离我们银河系越来越近。

普通恒星的红移，如果100光年上下，肯定都在银河系内，而且恒星相对运动基本为0，恒定的星星，顾名思义，名曰恒星。

恒星表象观测都是不动的，但本质理解也在运动，只是移动的角度微乎其微，地球人很难用肉眼察觉到恒星在动。所以天文学讨论的红移，多在 “1亿光年级别↑”。

类星体最大区别于恒星：就是具有很大的红移量，表示它正在以飞快的速度远离地球而去。类星体距离地球非常遥远，大约在100亿光年以上。天文学家之所以能看到最遥远的类星体，是因为它们自身会以 “光亮度、X射线或无线电波” 的形式，喷射出超强的能量。

类星体红移量，远高于恒星。普通恒星红移z<1，而类星体OQ 172的红移z=3.53。所以仅凭红移大小悬殊，很容易把类星体与恒星区分开来。

已知最遥远类星体的红移超过光速的90%；星系红移世界记录长期保持者是8C143+63，其红移z=4.25。不过维持到2015年3月，被中国天文学家刷新了，我国发现的类星体红移高达z=6.30。

03. 类星体的特征：

[ 类星体中心有亮核，是超大质量黑洞，能猛烈吞噬周围所有物质：包括恒星、中子星、黑洞、星团等。]

（1）中心有亮核：

类星体中心存在一个超大质量的亮核，亮核是拥有一个成百上千亿个太阳质量的黑洞。亮核能猛烈吞噬周围所有物质，包括恒星、中子星、黑洞、星团及星际尘埃。类星体是名符其实的星系级别的 “宇宙第一杀手”。更准确地说：它是茫茫宇宙中真正意义上的 “清道夫”。所到之处，望风披靡；秋风扫落叶，一干二净，片甲不留。

类星体的中心黑洞虽然不发光，但因引力太强大了，猛烈吞噬周围所有物质，同时喷射出无比巨大的能量，使得类星体成为宇宙中最耀眼的天体，并且把黑洞的黑斑完全掩盖了，用天文望远镜根本看不到，我们只能靠理性思维去推测计算黑洞的大小。

目前通过大型天文望远镜，已经观测到20多万个类星体，但远离地球超过127亿光年的类星体只有40来个，其中最遥远的类星体，距离我们是150亿光年。这个数值已经高于宇宙诞生的年龄138.2亿年。

但这并不能做为证据，来否定宇宙大爆炸发生于138.2亿年前，也不能证明光速c不恒定，更不能证明有超光速粒子流的存在。只能用广义相对论来解释，只能用爱因斯坦引力场方程来求解。

[ 类星体具有高红移高亮度特性，最大红移z=6.30，而银河系内恒星红移z< 1。类星体有80%↑是射电宁静的。]

（2）高红移高亮度：

类星体是人类天文观测到最遥远的天体，“高红移” ，意味着它距离地球能高达100亿光年↑。“高亮度”，意味着它不是恒星级别，而是星系级别的天体。类星体有80%以上是射电宁静的。

类星体有的比银河系小，但所释放出来的能量却比银河系高出千倍万倍，光亮度比银河系高出亿倍，比太阳高出430万亿倍。如果把太阳放在100亿光年的地方，光亮度会暗弱到用哈勃太空望远镜也无法观测到太阳的真实存在。

[ 类星体能发出极强的紫外辐射，颜色显得很蓝很蓝。但它的红外辐射也非常强。其喷流高度可达10万光年。]

（3）极强辐射源：

类星体能发出极强的紫外辐射，因此颜色显得很蓝很蓝。光学波段是连续的光谱，其能量分布呈幂律谱形式，α为谱指数，α > 0。光学辐射偏振，红外辐射也非常强。

类星体射电源：①射电结构多呈双源型，即两极喷射出高能粒子流，其喷流高度可达10万光年，足见喷射能量之强大，令人匪夷所思，难以置信。②少数呈致密单源，即单向喷流。单源性类星体，正向吸入物质叫黑洞，反向喷出物质叫白洞。

喷流角直径小于0.001″，典型的点喷流。 射电频谱指数α=0.75。如果α>0.4，称陡谱； 如果α<0.4，称平谱。陡谱射电源多为双源；平谱射电源多为单源。 短波段（厘米波段），辐射特别强； 中长波段（米波段），辐射很弱。

[ 3C 273类星体，视星等mv=12.8，红移z=0.158。距离地球2.9亿光年。]

04. 视星等（mv）：

视星等（mv），是指观测者用肉眼所能看到的星体亮度。可取负数，越负越亮。

例如，太阳夏季时的视星等mv=-26.74，月球满月时的视星等mv=-12。

甲：最近的类星体3C 273 视星等mv=12.8，红移z=0.158。 距离地球2.9亿光年。

乙：最亮的类星体S50014+81 视星等mv=16.5，红移z=3.14。 绝对星等Mv= - 33。

讨论：从视星等来看，甲<乙；所以从肉眼去观测：甲比乙更明亮。从红移量来看：乙>甲；说明乙比甲更遥远。所以从理性去推测：乙比甲更明亮。天文学很常见现象：肉眼观测与理性推测往往是很矛盾的。

类星体的数目似乎以z=2为分界线：当红移z<2时，随着z值增大，数目也越多；当红移z>2时，分布趋势则相反，z值越大，数目越少。

05. 研究硕果累累：

2001年，美国宇航局(NASA)发现了由18个类星体组成的 “星系团”，距离地球65亿光年。

2003年，以色列特拉维夫大学和美国哈佛大学的科学家在《自然》杂志上宣布：发现了类星体周围存在着 “暗物质晕” 的证据。这对研究暗物质很有意义。

2007年，科学家发现类星体不仅有单胞胎，而且有双胞胎和三胞胎。一位德国中学生物老师发现神秘的绿色天体，距离地球约6.5亿光年，被称为汉妮天体。

它是一团庞大的炽热气体。经研究推测汉妮天体的绿光，来自相邻类星体IC2497的强烈辐射。

IC2497的内核是一个巨大的黑洞，曾经吞噬掉周围的天体，并且喷射出两束方向相反的高能辐射流。当类星体发出的粒子流，穿透汉妮气体云时，会激发氧原子，发出绿色的光芒。

然而IC2497已经不再活跃，意味着缺少食物，黑洞巳死，象休眠的死火山。但汉妮天体还在发绿光。从双方距离靠得很近推断，IC2497死亡时间，不会超过20万年。

[ 图①：IC2497内核，吞噬周围物质，喷吐辐射流，穿透汉妮气体云，激发出绿色光芒。图②：科学家发现类星体不仅有单胞胎，而且有双胞胎，甚至四胞胎。图③：由18个类星体组成的 “星系团”，距离地球65亿光年。]

06.天文知识拓展：

（1）绝对星等（Mv）：

类星体绝对星等：- 25等 > Mv > - 33等。 绝对星等（Mv），是假定把恒星放在距离地球10秒差距（32.6光年）的地方，测得恒星亮度，用以区别于视星等（mv）。肉眼观测的视星等（mv）是假象，科学推测的绝对星等（Mv）是真象。

太阳的视星等mv=-26.74等，绝对星等Mv=4.83等。太阳的热星等-26.82等，绝对热星等4.75等。视星等和热星等，都可以取负数，越负越亮越热。

两个天体绝对星等相差5，那么光度相差100倍。假设：A恒星Mv=3，B恒星Mv= 8；则A比B亮度大100倍。

光度高的天体，可以有负的绝对星等值，如银河系的绝对星等Mv= -20.8等。

绝对星等，是由哈勃常数推算出来的：

Ho=50km/s·Mpc

类星体光度是太阳光度的10^12～10^14倍，相当于4×10^38W↑（瓦）。

光度是指发光强度，用于光度函数。光度是物体每单位时间内辐射出来的总能量，即辐射通量。

如太阳光度是3.827×10^26W，类星体光度是4×10^41W（瓦）。

肉眼观测太阳比类星体亮多了，视星等会高出38个数量级；但科学观测类星体比太阳亮多了，高出15个数量级。即类星体比太阳明亮程度，贴近于1亿亿倍。

（2）亮度的单位用什么来表示？

①亮度单位：坎德拉/平方米（cd/m²）， 亮度是指画面的明亮程度。旧时用尼特（nt）做单位，现已弃用。

②光通量单位：流明（lm），光源在单位时间里发出的光量总和。

③光强单位：坎德拉（cd），过去叫烛光，1坎=1烛光。

④照度单位：勒克斯（lx） ，光源照射物体单位面积的光通量。

⑤光效单位：流明/瓦（lm/W） ，光源发出的总光通量（Im），与光源所消耗的电功率（W），其比值称光源光效。

（3）超光速现象：

虽然光速是物体运动速度的极限，也是能量传递速度的极限；但在视觉直观上仍然会出现很不可思议的超光速现象：v>c。

例如，将探照灯射向夜空，因云层反射，天空会出现亮点。当地面的探照灯缓缓转动时，高空的亮点会快速移动。如果云层无限远∞，亮点的速度v，甚至超过光速c。

同理，类星体中心母体（亮核）喷射出两束方向相反的高能粒子流（相当于探照灯的灯光），照射在星际物质上（相当于高空云层），激发出电磁辐射（相当于云层亮点）。

只要中心母体小小地摆动，则中心粒子流所激发的星云电磁辐射，就会快速移动，其速度v，甚至超过光速c。实际上这种超光速现象是视觉错觉所造成的假像，切不可信以为真！

[ 类星体中心母体（亮核），喷射出两束方向相反的高能粒子流，会造成超光速的视觉假象。]

（4）质能转化率问题：

类星体中心物质猛烈活动，其质能转化率可达44%，这是令人匪夷所思的宇宙奇观！要知道广岛原子弹爆炸，其质能转化率只有0.7%，前苏联沙皇氢弹爆炸威力是广岛原子弹的3864倍，其质能转化率也只有2.8%。

太阳燃烧每秒消耗掉400万吨的氢，但是认真计算一下，它在100亿年时间里质能转化率也仅占太阳总质量的0.0634%。

类星体质能转化率是44%，相比之下恒星（如太阳）的质能转化率仅为0.0634%，真是渺小得可怜啊！

假设太阳拥有类星体44%的质能转化率，那么生活在太阳身边的天体全部化为乌有。也就是说，不管你是靠近太阳很近的地球，还是远离太阳很远的冥王星，全都瞬间蒸发殆尽，化为一片乌有。

如果你感兴趣的话，请跟随我的思路，探讨一下有关 “太阳质能转化率” 的计算？如果不感兴趣的话，以下部分就没有必要再看下去了。

[ 类星体中心物质猛烈活动，其质能转化率可达44%；而恒星（如太阳）质能转化率只有0.0634%。]

07. 附带太阳质能转化率计算：

已知：太阳质量=1.9891×10^30kg；太阳拥有整个太阳系总质量的99.86%。太阳物质中，氢占75%，氦占24%，其他元素如氧、碳、氖、铁等占1%↓。

经过科学实验精确计算得出：太阳每秒钟有质量为6亿吨的氢，经过热核聚变反应生成质量5.96亿吨的氦。也就是说太阳每秒消耗掉400万吨（4×10^9kg）氢的质量，完全转化成能量，用来发光发热。

太阳诞生于45.7亿年前，我们计算一下共消耗了多少氢？

4.57×10^9年×365天×24小时×60分×60秒×（4×10^9kg）

=5.7647808×10^26kg（公斤）

已知：地球质量=5.965×10^24kg

求：在45.7亿年里，太阳所消耗氢的质量相当于多少个地球质量？

5.7647808×10^26kg÷5.965×10^24kg =96.643个（地球质量）

如果按照太阳的寿命大约为100亿年计算，太阳将在以后的54.3亿年里，会消耗掉6.8496192×10^26kg的氢，相当于114.83个地球质量。（计算过程省略）。

计算在100亿年的时间里，太阳会累计消耗多少质量的氢，完全转化成能量？

（96.643+114.83）×5.965×10^24kg =1.26144×10^27kg

已知：太阳质量=1.9891×10^30kg

求：在100亿年中，太阳对氢的质能转化率是多少？

1.26144×10^27÷1.9891×10^30 =0.6341635×10^-3×100%

=0.0634%