第十一章星系

---組成宇宙的基本單元§11.1星系的宇宙學紅移 §11.2引力透鏡現象 §11.3活動星系與活動星系核§11.4AGN的超大質量黑洞吸積圖像§11.5星系中心的黑洞什么是星系？組成宇宙的基本單位。一般認為星系的中心存在超大黑洞。黑洞顯著吸積周圍介質、釋放引力能時，該星系表現為活動星系，反之為正常星系。§11.1星系的宇宙學紅移1912-1920年，V.M.Slipher通過測量旋渦星系譜線的Doppler位移發現絕大多數的星系具有譜線紅移，即它們正在遠離銀河系。

一些星系的距離、CaII的H、K譜線和退行速度

1929年Hubble與Humason發現由星系譜線紅移得到的星系退行速度V與星系的距離D成正比，稱為哈勃定律

V＝H0×D

其中哈勃常數

H0＝57-73kms-1Mpc-1

HubbleHumason哈勃定律的意義

哈勃定律反映了宇宙的膨脹

由宇宙膨脹引起的星系的譜線紅移稱為宇宙學紅移(cosmologicalredshift)。

星系的距離D＝V/H0 如果宇宙的膨脹是均勻的，可以確定： 宇宙的年齡t＝D/V＝1/H0

星系的退行表明在過去它們必定離得很近，宇宙膨脹的起點是什么？利用星系紅移測量星系的距離紅移zV/c目前的距離(Mly)回溯時間(Myr)0.00.00.00.00.10.095140113361.00.68815648310.00.9842102297541001.02710110019∞1.03009610029§11.2引力透鏡現象

類星體AC114現象的觀察

AC114雙類星體具有完全相同的譜與紅移。

它們實際上是同一類星體的引力透鏡表現。類星體0957+561

引力透鏡——引力場源對位于其后的背景天體（如類星體）發出的電磁輻射所產生的會聚或多重成像效應。當引力場源、目標源與觀測者位于同一直線上時，引力透鏡表現為愛因斯坦環。Einstein十字：引力透鏡引起的四重像

通過研究星系團對背景類星體或星系產生的引力透鏡，可以得到星系團內的（暗）物質分布和宇宙大尺度結構的信息。星系團CL0024及背景星系的引力透鏡多重像星系團CL0024中的物質分布1.賽弗特（Seyfert）星系

美國天文學家賽弗特于1943年首先發現一些旋渦星系具有不尋常的亮核和發射線，賽弗特星系因此而得名。NGC1566NGC4151的逐次深度曝光像亮核星系§11.3活動星系與活動星系核具有極亮的星系核，有很強的紅外和射電非熱輻射（~1043-1045

ergs-1）。NGC5728的地面和空間觀測

一些賽弗特星系有很強且寬的H和重元素的發射線。由發射線的寬度得到電離氣體的運動速度達104

kms-1.賽弗特星系與正常星系譜線的比較

根據發射線寬度的不同，賽弗特星系可以分為I型和Ⅱ型兩類。前者同時具有很寬的H線和相對較窄的電離金屬線，后者僅有窄線。相應的Doppler運動速度分別為~104

kms-1（寬線區）和≤103

kms-1（窄線區）。不同類型賽弗特星系的差別可能是由于觀測者位置的不同引起。光變時標為幾個月→致密核3C84的射電變化賽弗特星系的活動性可能與星系間的相互作用有關。

馬卡良315

2.類星體（Quasars）

在20世紀60年代發現的射電源中，有些光學視形態類似于恒星，無法分解，但光度可達銀河系的10000倍以上，顯然不屬于恒星，因而被稱為類星射電源，簡稱類星體。光譜中有強而寬的未知發射線。1963年MaartenSchmidt證認出它們實際上是紅移了的H和其他元素的發射線。類星體3C273的譜線紅移量達到16%MaartenSchmidt通常認為這種紅移是由宇宙膨脹的多普勒效應引起。類星體3C273的紅移表明它的退行速度達到4.4×104kms-1→距離~660Mpc。目前觀測到的類星體最大紅移達到6。類星體實際上是活動星系核。3.其余活動星系還有：

射電星系

蝎虎（BLLac）天體

等。4.活動星系的特征

(1)高光度

X射線光度光學光度射電光度銀河系111射電星系100-5,00022,000-2×106賽弗特星系300-7×104220-2×106類星體

(3C273)2.5×1062506×106最明亮的河外射電源(2)非熱連續輻射正常星系： 黑體輻射，極大值在光學波段，輻射主要來自星系內的恒星活動星系： 熱輻射（紅外）+非熱輻射，極大值在遠紅外波段

光學X射線類星體PKS1127-145(3)快速光變光變時標：幾小時-1年(4)特殊形態亮核、噴流、不規則形態活動星系主要特征的比較

射電星系 賽弗特星系 蝎虎天體 類星體光學形狀橢圓 旋渦 不明 類星射電形狀噴流與雙瓣核區有弱輻射核區有弱輻射噴流與雙瓣連續譜 非熱輻射+熱輻射發射線 寬 寬與窄 無（弱） 寬與窄譜線紅移量0.01-0.3 0.003-0.06 0.05-0.4 0.2->4吸收線來源恒星 無 無（？） 前景氣體云5.關于活動星系的其他特點

在所有的星系中活動星系所占的比例很小，約2%。星系的距離越遠，活動星系的比例越大。絕大部分活動星系是橢圓星系。活動星系的高光度反映出它們的壽命很短，因此不可能獨立成系，可能是正常星系的某個演化階段。

§11.4活動星系核的理論模型

1.活動星系核的統一模型活動星系的特征高光度。非熱連續輻射。快速光變輻射源大小<1pc。特殊形態（亮核、噴流）。寬發射線輻射源內氣體高速運動。理論模型星系的活動性源于星系的核心區域（活動星系核）超大質量（106-1010M⊙）的黑洞，黑洞的物質吸積提供了活動星系的能源。=10-4

pc(M/109M⊙)~1M⊙

yr-1(L/6×1045ergs-1)(η/0.1)-1黑洞吸積的物質來自由于星系核心附近的恒星碰撞和星系間碰撞而剝離出的氣體。為什么是超大質量黑洞？

Eddington光度：穩定吸積天體的最大光度

LEdd=1.3×1038(M/M⊙)ergs-1

由Lobs≤

LEdd,吸積天體的質量

M≥107(Lobs/1045ergs-1)M⊙深入星系核吸積氣體主要來自星系中的星際物質，或在黑洞附近被潮汐力瓦解的恒星。

吸積氣體在黑洞周圍形成吸積盤（大小約幾光天），在螺旋接近黑洞的過程中受到加熱，產生巨大的能量。

黑洞在吸積過程中可能在黑洞的轉動軸方向形成雙極噴流，噴流在遠離核區處與星系際物質相互作用形成射電瓣。

黑洞吸積盤周圍區域的結構寬發射線區，大小約幾光月，其中電離氣體具有較高的（~104

kms-1）運動速度；窄發射線區，大小約10-104光年，其中電離氣體具有較低的（~103

kms-1）運動速度。塵埃區，在寬線區和窄線區之間，大小約10-103光年。

在不同方向觀測，活動星系核表現出不同的特征

α中

心黑

洞寬發射線

區窄發射線

區噴

流射電瓣觀測天體~90°不可見不可見可見可見(?)可見(?)II型賽弗特星系或窄線射電星系中等可見可見部分可見可見(?)可見(?)類星體或I型賽弗特星系~0°可見不可見不可見不可見不可見視超光速類星體或蝎虎座BL天體α為觀測者視線與吸積盤自轉軸夾角

不同類型活動星系的比較11.5星系中的超大質量黑洞觀測證據

觀測證據：星系核區附近氣體的動力學特征。

高分辨率觀測

→

核區大小；運動

→

核區質量質量/空間尺度比

→黑洞？結論：在活動星系和正常星系的核心存在超大質量黑洞。室女星系團中巨橢圓星系NGC4261中的吸積盤60kpc100pc巨橢圓星系M87的核心區域中快速旋轉的吸積盤噴流核旋轉氣體，與噴流方向垂直M~3×109M⊙星系M84核心區域的氣體運動

R~26ly

V~400kms-1

M~3×108M⊙NGC4258的水脈澤輻射利用VLBI在漩渦星系NGC4258的核心0.2pc范圍內發現分子云的水脈澤輻射。不同云塊的譜線位移表明它們的運動遵循Kepler定律。由運動速度推測在中心可能存在一個質量超過4×107M⊙的黑洞。EnergyfromaBlackHole

XMM-NewtoncapturedX-rayglowofirongasclosetotheeventhorizonoftheblackholeinMCG-6-30-15Theironspectrumhasextremelybroad"spikes,"thebulkofthelightmustemanatefromveryclosetotheblackhole.Theluminosityindicatedbythespectrum,wastoobrighttobepoweredbyaccretionalone,implyingtheenergylostinMCG-6-30-15istransferredtotheinneredgeoftheaccretiondiskTwospectrallinesarepresentat6.4keV:thenarrowbluelinecorrespondstoX-rayscomingfromironthatisfarawayfromtheblackhole,towardstheouterpartsoftheaccretiondisc.ThebroadyellowlineisthenewmysteryfeaturefullyrevealedbyXMM-Newton.3.活動星系的演化

類星體的大紅移表明它們的距離很遠，因此在宇宙早期類星體的數目較多，而正常星系相對較少。→星系剛形成時可能都表現為類星體。對類星體PG0052+251的觀測發現它所處的星系十分年輕，反映類星體處于星系演化中早期的、具有較強活動性的階段。星系的演化(1)類星體是宇宙演化早期的天體。(2)在類星體、活動星系和正常星系的核心都有證據表明存在超大質量的黑洞。(3)從類星體到活動星系到正常星系，星系的活動性逐漸降低。