活動星系

有猛烈活動現象或劇烈物理過程的星系。又稱激擾星系。包括類星體、塞佛特星系、射電星系、蠍虎天體、星爆星系等。10%的星系是活動星系。活動星系的最主要的特點是：星系中心區域有一個極小而極亮的核，稱為活動星系核；強的非熱連續譜；光譜中有寬的發射線。有的活動星系有快速光變，時標為幾小時至幾年。有的活動星系有明顯的爆發現象，如噴流。活動星系的特點大多數是與活動星系核聯繫在一起的。有些活動星系，如類星體、蠍虎座BL型天體，輻射的絕大部分來自星系核，其他部分的輻射幾乎觀測不到。活動星系的數量約為正常星系總數的1%，其壽命約為一億年。人類對活動星系的本質了解得還很少，活動星系的研究已成為星系天文學甚至整個天體物理中最活躍的領域之一。

現在一般不嚴格區分活動星系和活動星系核。

【活動星系核】某些星系中的特別明亮的核，被認為是由於物質落向質量極大的黑洞而引起的。

活動星系，從稱為核的中心區域發射大量能量的星系。這賦予這類天體另一個名稱——活動星系核，通常簡稱為AGNs。這個名詞包括了在不同時期發現的，已有不同名稱的許多類高能星系，其中有賽弗特星系，N星系，蠍虎座BL型天體和類星體。現在認為，所有這些天體的能量都是由某種基本相同的，設計活動星系中心一個特大質量黑洞對物質吸積的過程所提供。

星系的物質落進黑洞時，與它的質量對應的引力能被釋放並轉變成電磁輻射，包括光，X射線和射電波。這個過程的效率極高，致使流入物質的百分之十或者更多的質量按照愛因斯坦的著名公式E=mc2轉變為能量。中央黑洞的質量可以多達太陽質量的一億倍，正好是環繞它的星系中全部明亮恆星質量的百分之零點一。它只需每年“吞噬”相當於1~2個太陽這種恆星的質量，就能夠提供在最強大活動星系中觀測到的能量。

中新能源產生的能量往往朝星系的兩邊射出，大概是通過黑洞的“極”出來的。這一能量不能從其他方向逃逸，是因為被吸積盤阻擋。射出的輻射與星系中極其附近的物質相互作用的地方，可以產生細的噴流或稱為瓣的發出射電波的延伸區。

一般不嚴格區分活動星系和活動星系核。

活躍星系核（active galactic nucleus，縮寫為AGN）是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系顯得比普通星系活躍，在從無線電波到伽瑪射線的全波段里都發出很強的電磁輻射，光度大約在1036-1041J/s之間，人們將它們稱為活躍星系。活躍星系核是這些星系明亮的核心部分，尺度通常在1光年上下，只佔整個活躍星系的很小一部分。但由於其光度大大超過宿主星系，因此活躍星系核通常也指整個活躍星系。

1960年代類星體發現以來，又相繼發現了許多具有類似特徵的天體，都是系外星系，統稱為活躍星系核，共同點是光譜具有很高的紅位移，表明距離遠在宇宙學尺度上，同時光度很高，遠遠高於普通的星系。進一步觀測顯示，這些天體往往具有快速的光變，光變時標從數小時到到數日不等，顯示其尺度只佔整個星系的很小一部分。此外，活躍星系核的光譜範圍非常寬，表現為非熱輻射譜，還具有很強的發射線，同時往往伴有噴流現象。幾十年來發現的活動星系核種類繁多，包括西佛星系、類星體、射電星系、蠍虎座BL型天體等，而且不同種類之間觀測特徵相互混雜。長期以來人們一直對它們的機制和演化感到困惑，投入了大量的人力物力進行研究，使得活動星系核成為20世紀90年代以來天文學最熱門和最活躍的研究領域之一。目前得到廣泛接受的觀點認為，活動星系核由超大質量黑洞和吸積盤構成。依據理論和觀測研究，人們建立了活動星系核標準模型，即中央是一個黑洞，周圍的物質受到引力作用下落，在黑洞周圍形成了吸積盤。由於耗散作用氣體被加熱到很高的溫度，並逐漸下落到黑洞中央，並且形成了沿吸積盤法線方向的噴流。活動星系核的觀測特徵主要依賴於中心黑洞、吸積盤的特徵以及視線方向。

塞弗特星系：第一種被發現的活動星系，以它的發現者卡爾·塞弗特命名。塞弗特星系是具有非常明亮星系核的螺旋或棒旋星系，具有強的高電離發射線，譜線很寬，強大、變化的X射線。儘管它們不都輻射無線電波，塞弗特星系還是紅外輻射的強發射源。根據發射線的寬度、形狀可分為Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型塞弗特星系具有寬的發射線，其發射線譜表明，它們是由圍繞中心高速旋轉的氫氣雲產生的；Ⅱ型只具有窄的發射線，其光譜中儘管具有氫線，但似乎並沒有這種快速運動的氣體雲。進一步還可以劃分成1.5、1.8、1.9等類型。

類星體（QSO）：類星體被認為與塞弗特星系十分相似——除了核心活動更為劇烈。他們在天空中看起來就像是與恆星一樣發光的點（因此被稱為類星體），但通過分光鏡研究能夠發現他們明顯不是恆星。根據它們譜線中的紅移現象可知：它們大都位於極遙遠的地方，是宇宙中已知最遙遠天體之一。與塞弗特星系相同，它們可以是“射電噪的”（在這一情況下被稱為“類星射電源”）或者是“射電靜的”（傳統QSO）。類星體的亮度可以是普通型系的1000倍。

射電星系：如它的名字所指，這類星系在電磁波譜無線電波段的輻射最強。不同於點輻射源，輻射從這類星系兩側的巨大輻射瓣上發出。大部分有兩個輻射源，稱為雙源型射電星系。通常為橢圓星系。根據發射線的寬度大體可分為寬線射電星系（BLRG）和窄線射電星系（NLRG）。

蠍虎座BL型天體：星系核非常亮，短時間曝光和恆星很類似。光度具有很快的變化，射電輻射有很強的偏振，光譜中既沒有吸收線也沒有發射線，因此其紅移只能從宿主星系的光譜推斷出來。

光學劇變類星體（OVV）：光度具有很快的變化，往往是強射電源。與蠍虎座BL型天體合稱耀變體（Blazar）。耀變體與類星體在許多方面都十分接近，只是它不具有譜線。

低電離核發射線區（LINER）：核光度比較低，具有低電離的核發射線區，有時發現為低光度的2型塞弗特星系。

窄線X射線星系（NLXG）：具有高電離發射線，類似塞弗特星系，但光度較低。被認為是光譜受到星系內塵埃消光的塞弗特星系。

星爆星系：具有巨大的恆星形成區，紅外光度高於可見光光度，大部分為旋渦星系。屬於活動星系，但與活動星系核的關係尚無定論。

除此之外還有N星系、茲威基星系、高偏振類星體（HPQ）、低光度活躍星系核（MAGN）、熱星體（Warmer）等。

根據射電波段的輻射，還可以分為射電寧靜活動星系核與射電噪活動星系核兩大類。其中，射電寧靜活動星系核包括：低電離核發射線區、塞弗特星系、以及部分類星體，射電噪活動星系核包括射電噪類星體、耀變體（包括蠍虎座BL型天體和光學劇變類星體）、射電星系等。

活躍星系核的統一模型試圖將兩種或兩種以上的活躍星系核用一個模型進行描述，不同類型的活躍星系核只是由於觀測視角的不同。電波弱（radio-quiet）活躍星系核與電波強（radio-loud）活躍星系核分別具有各自的統一模型：電波弱統一模型和電波強統一模型。電波弱統一模型認為西佛Ⅰ型星系是直接觀察到的光度較低的活躍星系核本身，西佛Ⅱ型星系則是由於視線方向上受到了環繞在吸積盤周圍的遮蔽環的阻擋。如果活躍星系核的光度較高，直接觀測到的就不是西佛I型星系而是類星體。電波強統一模型主要關注於高光度的電波強類星體，它們能夠與窄發射線電波星系用類似電波弱統一模型的方式統一在一起，即電波星系被遮蔽環擋住了視線，而類星體沒有。如果視線方向與噴流夾角非常小，則會觀察到蠍虎BL型類星體（blazar）。

導語：活動星系和類星體的巨大能量之謎曾經困擾了天文學家幾十年之久，現在普遍認為，它們的能量來源於星系中央的高速自轉的超大質量黑洞。

上世紀20年代以後，天文學家終於認識到在銀河系之外廣漠的宇宙空間散布著無數個大小不一、形態各異的星系。不過直到20世紀中期，天文學家還認為星系是相當平靜的，只有難得一見的超新星以與整個星系相當的光度爆發出來，才會偶爾衝破宇宙深處沉沉的寂靜。隨著射電天文學的發展，天文學家發現了我們銀河系中心的射電源和許多星系的強射電源。值得注意的是，這些河外射電源在射電波段發射的能量比銀心大得多，從此揭開了認識星系活動的序幕。

此後，空間天文學的開展，更在紅外和X等波段上探測到星系的活動，特別是與某些類型的星系的核有關的活動。這樣，天文學家認識到星系的活動是相當普遍的現象。然而，絕大多數(約佔98%)的星系活動水平很低，例如我們的銀河系，我們稱之為正常星系。僅有2%的星系活動激烈，歸為活動星系。

正常星系是大量恆星在引力束縛下形成的天體集團，其輻射大部分由恆星發出，輻射主要集中在光學波段。活動星系的輻射遍及從射電到γ射線的整個電磁波段。而且在射電、紅外、紫外和X射線波段發射的能量大於光學波段，顯示這些輻射是由大量非恆星物質發射的。這些物質在活動星系內特殊的物理條件下，進行著大規模的吸積、湍動和爆發，在某些活動星系的近旁觀測到噴流結構，顯然是從星系中拋射出的物質形成的。活動星系包含多種類型，但迄今尚無統一的確切分類，蠍虎座BL型天體、塞佛特星系和射電星系是其中一些主要的類型。

1929年在蠍虎座發現了一個天體，有非常迅速的光變。它的視星等在14等～16等之間漲落，偶爾可增亮至13等，即可見光波段上的亮度變幅達15倍左右，在一天之內亮度可變化10%～32%。當初天文學家們以為它是一顆變星，按照變星的命名方式稱為蠍虎座BL。在蠍虎座BL的光譜中觀測到有弱吸收線，它們是該天體周圍的星雲物質所產生的。由所測得的譜線紅移，據哈勃定律推算的距離為590Mpc(1Mpc=3.26×106光年)。現在天文學家已掌握了較有力的證據，可確認它是一個河外天體。後來又發現了300多個與蠍虎座BL有同樣特徵的天體，它們通稱為蠍虎座BL型天體。蠍虎座BL型天體的共同特徵主要有：一般呈恆星狀，看不到任何結構，但一部分有暗弱的包層；射電、紅外和可見光波段上的亮度都有快速變化，時標為幾天至幾個月；光譜中既無吸收線又無發射線，只有毫無特徵的連續輻射譜；許多是緻密的射電源，核心有很強的射電輻射。

1943年美國天文學家塞佛特(C.K.Seyfert)發現了6個旋渦星系，光譜中有異常寬的發射線，後來確認這是一類活動星系，被命名為塞佛特星系。它們是帶有異常明亮的核的旋渦星系，星系核幾乎佔據了星系發出的全部光亮，在短時間曝光的底片上易誤認為是恆星，經長時間曝光的底片顯露出在核的周圍有朦朧的旋渦結構。星系核內充滿電離氣體，其質量達10到103個太陽質量，離子密度為107個/厘米3～109個/厘米3，氣體作速度很大的隨機運動，速度達103千米/秒量級。這種速度可能是由於激烈的爆發引起。塞佛特星系有強於正常旋渦星系的射電輻射和紅外輻射，有些塞佛特星系已探測到X射線輻射。

從20世紀40年代以來，射電天文學家發現了數以萬計的射電源。起初最強的一些源以星座名后隨一大寫的拉丁字母來表示。例如天鵝座里的強射電源稱為天鵝A，室女座里的強射電源稱為室女A。大部分射電源位於河外，其中有大約1/3～1/2的源已證認出其光學對應體是星系。

具有很強射電輻射(高於1034瓦)的星系稱為射電星系。它們在射電波段的輻射功率不僅比正常星系大得多，也比它們在光學波段的輻射功率大得多。這類星系大多是橢圓星系。主要類型有雙源型和緻密型兩類。典型的雙源型射電星系在星系中心附近有一個小射電源，而在星系本身之外很遠有兩個大射電源。這兩個源，或稱射電瓣，可能相距達105秒差距～107秒差距，寬度達104秒差距～106秒差距。有時可見多對瓣。這些源的結構顯示它們指向星系的中心，實際上是從星系噴射的物質。每個射電瓣都是具有磁場的高能電子云，射電瓣在遠離中央星系，它們的前端面對廣闊的星系空間，把巨量的星系物質壓縮，產生劇烈碰撞，在前端形成熱斑。X射線探測衛星的觀測表明，它們也是強X射線源。一個典型的射電瓣貯存的能量大約相當於銀河系裡的全部恆星在1億年裡輻射的能量！

1948年發現了射電源天鵝A，1954年它被證認為一個河外星系，視亮度是16等。它離銀河系7億3千4百萬光年，輻射功率比銀河系強約107倍，是已知最強的河外射電源，也是第一個被發現的射電星系。半人馬A是距離最近的一個射電星系，距離為1千1百萬光年，雖不如天鵝A威力強大，但在其它方面是相似的。它們都是雙源型射電星系的典型例子。緻密型射電星系的射電輻射區通常是十分小的，不大於底片上星系光學像的範圍。有的甚至不超過幾個光年。M87是一個巨橢圓星系，位於室女星系團的中心附近，是射電源室女A的光學對應體。它的直徑為50萬光年，距離地球6500萬光年，在天空的張角超過半度(約等於滿月那麼大)。它是緻密型射電星系的一個典型。

1960年天文學家們發現了射電源3C 48的光學對應體是一個視星等為16等的恆星狀天體，周圍有很暗的星雲狀物質。令人不解的是光譜中有幾條完全陌生的譜線。1962年，又發現了在射電源3C 273的位置上有一顆13等的“恆星”。使天文學家同樣困惑的是其光譜中的譜線也不尋常。

1963年，終於有人認出了3C 273譜線的真面目，原來它們是氫原子的譜線，只不過經歷了很大的紅移，使得譜線不易證認。循著紅移這條線索，再去分析3C 48的光譜，得出它的紅移量還要更大。設想紅移產生於多普勒效應，那麼3C 273和3C 48都有很大的退行速度，分別達光速的1/6和1/3。對於這種在光學照片上的形態像恆星，但是其本質又迥然不同的天體，天文學家把它們命名為類星射電源。進一步的觀測和研究揭示了又一類天體，它們的形態也很像恆星，而且也有很大的紅移，但是沒有射電輻射，被稱為射電寧靜類星體。後來把兩者全都稱為類星體。

類星體究竟是什麼？給天文學家出了一道難題。自從它們發現以來的幾十年中，爭論尚未完全平息。爭論集中在導致類星體的譜線紅移的原因。大多數主張“宇宙學紅移”的觀點，即認為類星體位於銀河系以外遙遠的宇宙深處，距離越遠，紅移越大。如果類星體確實如此遙遠，那就遇到另一個問題，即如何說明它們巨大的能量輸出。類星體的發射功率比普通旋渦星系大102～104倍，更令人驚奇的是發射能量的區域很小，其直徑只有光天甚至光時的量級。類星體能在這麼小的體積內釋放出這麼巨大的能量，在當時真是一個難解之謎。另一種意見主要是認為類星體是被銀河系或其它河外星系拋射出去的天體，在拋射中獲得很大的速度，速度越大，紅移越大。

把類星體與蠍虎座BL型天體、塞佛特星系和射電星系等活動星系作比較，發現有許多相似的觀測特徵，特別是對於射電星系的了解，足以使天文學家認識到類星體是同一現象的不同表現。此外，從上世紀80年代以來，大量宇宙高能現象被觀測和理解，類星體的能量問題也能得到合理的解釋。

在認為紅移是宇宙學紅移的前提下，則紅移從大到小意味著天體從年輕到年老。就紅移的大小而言，類星體的最大，蠍虎座BL型天體和塞佛特星系的其次，射電星系的最小。於是，可以大致排出一個演化的序列：類星體、蠍虎座BL型天體、塞佛特星系、射電星系，終止於正常星系。

如前所述，活動星系(包括類星體)僅占星系總數的約2%，可見星系從誕生后演化到“成熟”，活動階段在一生中經歷的時間很短。由此看來，類星體是正常星系的幼年期。那麼類星體就是極度活動的星系核。它們的周圍就有星系盤。一般的類星體由於距離太遠，星系盤顯得很暗弱，角直徑也太小，難以觀測到。事實上對於一些較近的類星體，例如3C 273，已發現存在星系盤的證據。

活動星系和類星體的激烈活動都源於中央很小的核內。那麼，相對於整個星系而言，在星系核那麼小的體積內釋放那麼巨大的能量是一個難以解釋的問題。這個問題曾經在長時期內困擾著天體物理學家。現在普遍接受的觀點是幾乎每個大的正常星系都在其中心蘊含一個超大質量黑洞。這個假設已獲得日益增多的觀測證據的支持。天文學家曾經用設置在美國新墨西哥州的甚大陣射電望遠鏡(VLA)，結合甚長基線干涉測量陣(VLBA)，對100個鄰近星系作了完整的巡天觀測，發現至少有30%的樣品顯示具有一個微小而緻密的中央射電源，帶有類星體現象的唯一特徵。

此外，宇宙背景上也瀰漫微弱的X射線的輝光，它遍及整個天空。與微波背景輻射是大爆炸的遺存不同，X射線霧霾中的光子能量太高，不可能在宇宙早期產生。而且微波背景輻射呈現基本上均勻的連續分佈，而這種分佈於全天的X射線輻射是無數個離散源的貢獻。美國的錢德拉X射線天文台裝備著掠射式X射線成像望遠鏡，原先稱為高級X射線天體物理衛星，於1999年由太空梭攜帶升空。為了紀念已故印度裔美籍諾貝爾獎獲得者蘇布拉馬念·錢德拉塞卡，而重新命名。它曾經對一個選定的天區深度曝光，能夠把至少達80%的X射線的輝光分解為單個點光源。由此外推到整個天空，表明總數約有7000萬個。隨後對這類天體中的一些作跟蹤研究，並探測它們在其它波段的輻射，得出結論，有一些是相當正常的星系。它們有塵埃遮蔽的、輻射X射線的核——這正是中央黑洞的徵兆。

現在普遍認為，這樣巨大的能量來源，是因為在星系的中央潛藏著一個高速自轉的超大質量黑洞，其質量至少達107倍太陽質量。黑洞以其巨大的引力吸引著四周的物質盤旋著向它掉落，在周圍形成一個吸積盤。盤內的氣體被壓縮並加熱，當溫度超過10億K時，就會形成強烈的輻射場，導致高能等離子體噴流從核心以接近光速向垂直於盤的兩極噴射出來。