奇妙的星系

奇妙的星系

一、活动星系的发现

几千年来，地球人类只知道用自已的眼睛来遥望星空，直到后来发明了望远镜，人类的天文知识才有了突飞猛进的发展。但是，还是有很多的人认为星空是永恒不变的，这也难怪，因为它总是那样的宁静安详，仿佛只有行星的来来往往，流星的稍纵即逝，彗星的突来乍到，以及难得一见的新星爆发等等，才给星空增添了一点点活力和生气。宁静永恒的宇宙图画使天文学家把闪烁在星空的满天繁星叫做恒星。形而上学的哲学家则借以阐明自己的哲学观点“天不变，道亦不变”，宗教家则以此宣扬居住在天国主宰一切无所不能的上帝，似乎只有占卜星象的人，才试图从中看到一些微小的变化，用来预言吉凶盛衰。

亲爱的朋友，请你千万不要相信那些似是而非的宇宙图画，它会把你引入歧途。现代的天文学家，利用各种望远镜和观测手段，更依靠科学知识和思维，证据确凿地有说服力地揭示出，在貌似宁静永恒的表面下，有着变动和喧嚣，星星和任何其他事物一样，也同样有诞生、成长和消亡，也同样会经历“灾难”和“欢乐”，它们的兴衰存亡也都遵循着一定的可以被人类认识的规律，不仅一颗颗恒星如此，庞大的星系也并无例外，或许和人类的情况不无相似之处，有些星系春风得意有些星系则正处在剧烈的灾变之中，经受着出生的阵痛或发出死亡的哀鸣。

天文科学家通常把具有明显的剧烈活动，而且存在期大大短于正常星系的星系称为活动星系或激扰星系。活动星系包括塞佛特星系，致密星系，马卡良星系和N型星系等。庞大的几万光年之巨的活动星系却可能在几个月甚至更短的时间内发生显著的变化，活动星系通常都有极亮的星系核，很多变化都来自这神秘的核区。

在大多数星系中，越往中心物质的密度越大。观测离我们最近的星系，例如M31、M33、M51和M101等，它们的中心区域往往有一个密度极大的恒星状核心，这个明亮的中心区称为星系的核，当星系很远时，正常星系的核区往往无法分辨，只有活动星系以及核区的奇特异常的性质，成为摆在天文学家面前的一个斯芬克斯之谜，引起了极大的关注和兴趣。

在20世纪20年代确定了旋涡星云的河外性质之后，人们注意到的是星系的形态和分类，对于星系中心的明显密集部分，即星系核，只看作是恒星更密集的区域而已，并未给予很大的注意。

第一个注意到星系核活动现象的是美国天文学家塞佛特。1943年，塞佛特研究了12个异常的旋涡星系，发现它们有下列特点：

（1）相对于其他星系核而言，塞佛特星系的核比较小而亮度特别大；

（2）核区光谱有很强的高激发高电离的气体发射线，这在正常星系的光谱中是看不到的；

（3）发射线特别是氢的谱线非常宽，如果认为这种宽度起源于气体云的运动，则相应的速度可达500～4000千米/秒。

这是人们第一次注意到星系核可能有爆发过程发生，并以很高速度向外喷射气体，以后，人们就把具有这些特点的有强烈活动的旋涡星云称为塞佛特星系。

射电星系的发现，提出了星系需要释放巨大能量的要求。一直主张恒星是在小区域内诞生的苏联天文学家阿巴楚米扬1958年把塞佛特星系和射电星系都看作是在小区域内释放大能量的过程而加以强调。

但是真正刺激并推动活动星系研究的是类星体的发现。活动现象的极端形式引起了人们的关注，因此，在类星体发现的同一年，1963年10月份，伯比奇夫妇和桑德奇一起发表了一篇论文，题为“在星系核中发生着剧变事件的证据”，这篇又在星系核的研究史上有极大的价值，它第一次把当时所了解的关于星系核活动的所有证据搜集在一起，雄辩地证明存在着星系核的爆发活动，并且第一次提出，类星体可能是极端活动的星系核。这种天才的猜测，显示了作者的远见卓识，至今还令人钦佩不已。

它确实包括了各种不同形式的星系核活动，其中讨论的一些天体，至今仍为学者们瞩目并成为经常讨论的对象，与当时看法变化最大的是以M82为代表的所谓第二类不规则星系，对塞佛特星系和射电星系的看法则与当时基本一致。

在早期对活动星系的研究中，曾提出一种所谓“第二类不规则星系”，这是1958年霍姆伯格在研究分析300个星系的光度分布时提出来的，这类星系的大小与麦哲伦云等不规则星系不同，更主要的特点在于从光谱和形态看是晚型星系，而色指数却对应于早型星系，为了与通常的不规则星系相区别，称为第二类不规则星系。

第二类不规则星系的典型例子是M82，它是大熊星座中的一个纺锤状的星系，用巴耳末α线照相发现有纤维结构，从中心向外延展，在垂直于星系平面的方向上可以延伸出1万光年。对它的解释几经变迁，开始认为这是星系爆发喷出的气体，但后来的观测表明，巴耳末α发射线和连续谱都是偏振的，这说明辐射不是直接来自纤维结构，可能是星系核辐射被两侧尘埃散射的结果。最近，人们认为M82中可能发生过一次剧烈的爆发，这种解释与M82是强射电源和强X射线源的观测相符。除了M82，后来还观测到其他的第二类不规则星系，如NGC972、NGC3067、NGC3955等。

总之，早期对塞佛特星系和第二类不规则星系的观测分析，逐渐显示出某些特殊星系，尤其是星系核的活动现象拉开了研究活动星系的序幕。

二、塞佛特星系

1943年，塞佛特星系被美国天文学家塞佛特发现，它是第一类活动星系。在曝光时间短的照片上只能看到一个小而非常亮的恒星状核，把曝光时间加长后，核部分过度曝光，而外部将显示为一个普通的旋涡星系，通常核的亮度比外围亮度的总和还要大，而且往往还显示出短时间的光度变化。

要彻底了解星系，必须先从该星系的光谱开始讨论。正常星系的光谱主要是星光光谱，即热的连续谱加上吸收线，但塞佛特星系却有着与电离氢区或行星状星云相似的强发射线，包括氢的谱线和由各种电离元素的禁戒跃迁线。

谱线的宽度是一个重要的特征。一个K型巨星的光谱在5．0×10^－7米左右的宽度只有0．5×10^－10米。由于星系中各恒星有百千米每秒的随机运动，因此，一个普通椭圆星系的谱线宽度较大，塞佛特星系的禁戒谱线的宽度还要大，一般相当于500～1000千米/秒的湍流速度，有些星系虽也有亮核和发射线，但发射线宽度比这要窄得多，可能产生于热过程，通常称之为窄发射线星系。

威德曼在光谱研究的基础上进一步把塞佛特星系分成两类，区别在于氢允许线的宽度。平均来讲，Ⅰ型塞佛特星系的巴耳末射线宽度相当于几千千米每秒的湍流速度，有的甚至可以达到上万千米每秒。Ⅱ型塞佛特星系的巴耳末线宽与禁线宽度相当。

两种塞佛特星系在双色图上的分布也不相同，Ⅱ型比Ⅰ型要沿黑体线向红端移动，通常Ⅱ型塞佛特星系的射电线辐射较强，而Ⅰ型塞佛特星系的X射线辐射往往较强。由于这些区别的存在，看来两种类型的塞佛特星系有重要的差别，造成这种差别的原因需要深入到星系核之中，探索其中物理情况的异同。

直接观测发现塞佛特星系的核是很小的，NGCA151的光谱观测表明其核小于7秒差距，而整个星系比核大千倍以上，如果考虑到它的光变时间，核可能不大于1/6光年。但谱线的存在表明发射区一定要有气体，而辐射的能谱分布又表明一定存在非热的辐射源，在有些塞佛特星系核中还发出很强的红外辐射，说明其中存在着大量的尘埃，可能是外围云层吸收了大量辐射能然后再在长波段以红外的形式发射出来。

1975年，亚当斯和威德曼研究了32个塞佛特星系的光谱谱线强度和二色测光的关系。结果表明只有Ⅱ型塞佛特星系中包含大量尘埃，他们认为Ⅱ型的特点可解释为存在着大量的非常热的但是红化的恒星。Ⅰ型寨佛特星系似乎完全不同，它们没有红化，因此红外辐射一定是来自非热的机制。

观测表明，发射线的变化与总辐射相比一般并不显著，这说明发射线的产生区比连续谱发射区更大，谱线很宽又意味着发射气体的速度有很大弥散，1968年沃克对NGC1068的观测，1973年乌尔里克对NGC4151的核的观测，都支持这种解释。两个源外围都找到一些云，直径为几百秒差距，质量为10⁶～10⁷太阳质量，以600千米/秒的速度离核而去，从它们的膨胀，估计云的年龄为10⁵～10⁶年。看来窄的禁线和允许跃迁都产生自这些云块，而允许跃迁中较宽的线翼部分可能来自小得多因而湍动也更激烈的内部。塞佛特星系IC4329A光谱中禁线的宽度只相当于1500千米/秒的速度，而允许Hα线的宽度相当于以1．3万千米/秒的速度的扩张。允许线和禁线的差别可解释为，相应于允许线翼的发射区的气体密度要高得多，因此阻止了禁线的发射。这样，塞佛特I型的核由三部分组成。中心有一个非常小的非热中心能源。外面大约0．1秒差距半径的区域内有高速度、高密度的云，它们只能发出允许跃迁。再外面直径约为400秒差距但密度低，速度也只有300千米/秒。