| 1 活动星系概述 上世纪20年代以后，天文学家终于认识到在银河系之外广漠的宇宙空间散布着无数个大小不一、形态各异的星系。不过，直到20世纪中期，天文学家还认为星系都是相当平静的，只有难得一见的超新星爆发才会偶尔冲破宇宙深处沉沉的寂静。随着射电天文学的发展，天文学家发现了我们银河系中心的射电源和许多星系中的强射电源。值得注意的是，这些河外射电源在射电波段发射的能量比银心大得多！从此，天文学家揭开了认识星系活动的序幕。 此后，空间天文学的开展，更在红外和X射线等波段上探测到星系的活动，特别是与某些类型的星系核有关的活动。这样，天文学家认识到星系的活动是相当普遍的现象。然而，绝大多数（约占98%）的星系活动水平很低，例如我们所处的银河系。这些平静的星系，我们称之为正常星系。而另有2%的星系活动激烈，它们被归为活动星系。  电磁波谱（图源：Wikipedia） 正常星系是大量恒星在引力束缚下形成的天体集团，其辐射大部分由恒星发出，辐射主要集中在光学波段。活动星系核是活动星系中心的一个紧密区域，在至少一部分——甚至可能是全部的电磁波谱上远比普通恒星的光度高。一个有着活动星系核的星系被称作“活动星系”，包含塞弗特星系、类星体、射电星系、蝎虎座BL型天体等多种类型。 从活动星系核发出的辐射被认为是因为宿主星系中央的超大质量黑洞物质吸积产生的。活动星系核的中心，一般被认为是一个大质量的黑洞加上环绕它的吸积盘，黑洞在吸积的同时，会向外喷射物质。利用先进的干涉仪器，人们已经发现许多活动星系核存在射电喷流，并有了对大量的对喷流进行直接观测的资料。喷流结构普遍存在于活动星系核中，它也是目前探测器能直接分辨到的活动星系核中为数不多的部分之一。它是从星系核心附近喷射出的定向、狭长、准直、高速运动的物质流，是中心母体星系向外围射电瓣或射电热斑输运物质、能量以及磁场等信息的重要通道。对喷流的研究和探索能够为我们提供更多关于活动星系核中心引擎的信息，帮助我们理解星系核心区域的性质特征。  大质量星系M87中心的黑洞，距离地球约5500万光年，质量是太阳的65亿倍，由事件视界望远镜（EHT）拍摄。这幅图像是超大质量黑洞及其阴影的第一个直接视觉证据。因为黑洞在旋转，由于多普勒效应（类似于汽车靠近时喇叭的音调会变高，远离时音调会变低），其光圈亮度并不均匀，呈现出一边较亮一边较暗的效果。黑洞的阴影大约是事件视界的五倍半，事件视界标志着黑洞的极限，其中逃逸速度等于光速。此图像根据2017年收集的数据创建，并于2019年发布。（图源：网络）  活动星系M87喷射的喷流，长达5000光年，其蓝色同步辐射与来自宿主星系的黄色星光形成反差（图源：哈勃空间望远镜拍摄） 2 射电星系 射电星系是指具有很强射电辐射（高于1034瓦）的星系。它们大多是椭圆星系，其在射电波段的辐射功率不仅比正常星系大得多，也比它们自身在光学波段的辐射功率大得多。这些狂暴的星系往往离我们非常远，看起来也就非常小，以至于在早些时候，它们明亮的星系核被天文学家当作“恒星”。于是它们也有了这样一个充满误会的名字：类星体。由于它们的辐射大多集中在射电波段，于是也被称作“射电类星体”。射电类星体按照射电辐射强度的不同可以分为射电噪类星体和射电宁静类星体。顾名思义，前者的信号比后者更加“嘈杂”：一般射电噪度大于10的称为射电噪类星体，小于10的则称为射电宁静类星体。它们嘈杂程度的不同来自于信号成因的不同：射电噪类星体的射电辐射是由喷流形成的，而射电宁静类星体的射电辐射是由吸积盘形成的。 中心黑洞的质量通常被作为研究射电噪类星体和射电宁静类星体的重要参量。大多数研究发现，射电辐射产生的相对论电子形成了喷流，而用中心黑洞的质量来了解喷流的起源和射电类星体的性质具有重要的意义。 已知最强的河外射电源，也是第一个被发现的射电星系是天鹅座A，是在20世纪50年代射电望远镜刚刚投入使用时发现的。它最大的特征是有两个巨大的发出射电辐射的瓣状结构。  天鹅座A，可以明显看到射电瓣通过狭长的喷流与中心暗弱的椭星系相连，整个星系从一个瓣到另一个瓣的延展超过50万光年（图源：Encyclopedia） 距离最近的射电星系是半人马座A，距离地球1400万光年。和天鹅座A一样，它们都是双源型射电星系的典型例子。  半人马座A的假色图像，其中红色为射电辐射，绿色为红外辐射,蓝色为X射线辐射，其星系活动核发出的双射流清晰可见。（图源：Wikipedia） 与之相对的是致密型射电星系。致密型射电星系的射电辐射区通常非常小，有的甚至不超过几个光年。M87位于室女座，是一个巨大的椭圆星系，是银河系附近几个质量最大的星系之一，也是致密型射电星系的一个典型。 3 通过红移比较不同的活动星系 3.1 红移量 红移在物理学和天文学领域，是指物体的电磁辐射由于某种原因而降低了频率的现象。在可见光波段，这表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。红移的现象多用于天体的移动及规律的研究和预测上。在天体演化的过程中，各个阶段的宇宙学红移不同，因此可以根据宇宙学红移确定天体的演化。 红移最初是在人们熟悉的可见光波段发现的，随着对电磁波谱各个波段的了解逐步深入，任何电磁辐射的频率降低都被称为红移。对于频率较高的γ射线、X射线和紫外线等波段，频率降低确实是波谱向红光移动，“红移”的命名并无问题；而对于频率较低的红外线、微波和无线电波等波段，尽管频率降低实际上是远离红光波段，这种现象还是被称为“红移”。 红移有3种：多普勒红移（由于辐射源在固定的空间中远离我们所造成的）、引力红移（由于光子摆脱引力场向外辐射所造成的）和宇宙学红移（由于宇宙空间自身的膨胀所造成的）。对于不同的研究对象，牵涉到不同的红移。  右侧为遥远的星系在可见光波段的光谱，左侧为太阳在可见光波段的光谱，可以明显看出右侧谱线相对于左侧谱线朝红色的方向移动，即波长增加、频率降低。（图源：Wikipedia） 随着对射电星系的了解更深入，以及在把类星体与蝎虎座型天体、塞弗特星系和射电星系等活动星系作比较时发现许多相似的观测特征，天文学家认识到，各种活动星系只不过是同一现象的不同表现，或者说，是同一过程的不同阶段。此外，上世纪80年代以来，随着大量宇宙高能现象被观测和理解，类星体的能量来源问题也得到了合理的解释。 3.2 星系的年龄 在认为红移是宇宙学红移的前提下，红移从大到小的变化，则意味着天体从年轻到年老的改变。就红移的大小而言，类星体的最大，蝎虎座BL型天体和塞弗特星系的其次，射电星系的最小。于是，可以大致排列出一个星系演化的序列：类星体→蝎虎座BL型天体、塞弗特星系→射电星系，最终止于正常星系，并自此在寂寥的宇宙中开始度过漫漫余生。     以上分别是类星体、蝎虎座BL型天体、塞弗特星系、射电星系半人马座A（图源：Wikipedia及网络） 4 展望 活动星系核是一类存在着剧烈物理过程的天体，它在从射电到高能辐射的全电磁波段都有着几乎均匀的辐射功率，这使得它成为了各个波段天文观测的重要对象。活动星系核的高光度，使得我们有机会对以它们为首的高红移天体的光谱进行细致的研究。因此，研究活动星系核，对于理解星系的形成、结构和演化有重要意义。目前，活动星系核的研究已经成为现代天体物理研究的热点之一。 对活动星系核的研究涉及到天体物理中一些最基本的方面，其在能量产生、辐射机制和宇宙论这些基本问题中均占有关键地位。正因为其基础性和重要性，对它的观测也成了许多大型天文设备的关键课题，吸引着众多科学家的注意力。同时，研究活动星系核的过程中提出了许多问题，给现代物理学带来了严峻的挑战。因此，美国物理学会把“活动星系核的高能伽玛射线来自哪里”、“黑洞附近的物理过程是怎么样的”等与活动星系核研究相关的问题列入了当今十大物理难题之列。 活动星系，这来自遥远天际的狂潮巨浪，正在一点一点地为我们卷来宇宙真理的曙光。 参考文献 [1] 萧耐园. 活动星系和类星体的启示——超大质量黑洞探秘之一[J]. 中国国家天文, 2010(2):4. [2] 熊定荣, 张雄, 郑永刚,等. 射电类星体的演化与宇宙学红移[J]. 天文研究与技术, 2013, 10(2):11. [3] 陈永云, 张雄, 熊定荣. 射电类星体辐射压的研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版, 2014, 34(1):6. [4] 胡京馥. 射电星系的中央引擎和统一模型研究[J]. 天文学报, 2018, 59(4):3. [5] 尹其丰. 射电星系与类星体[J]. 自然杂志, 1985(09):18-20+24. [6] 孟大敏. FRI射电星系中大尺度喷流的多波段研究[D]. 中国科学技术大学, 2006. [7] 吴玉中. 射电噪活动星系核的多普勒因子的研究[D]. 云南师范大学, 200830 [8] 我们该如何描述活动星系真实的样子[EB/OL]. https://www.ximalaya.com/keji/44586436/391928428, 2021-03-05. [9] 百度百科-活动星系[EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/活动星系/998737?fr=aladdin [10] 百度百科-射电星系[EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/射电星系/999495 [11] 百度百科-红移[EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/红移/189542?fr=aladdin [12] 维基百科 别急着退出去QAQ！ 物理与天文学院的“天文科普”系列推送由中山大学天文学社出品，计划每月撰写一篇！ 也就是说，接下来每个月我们都会和大家见面哒~ 为了能让大家看到自己真正感兴趣的内容，我们决定，把接下来一年科普选题的权力交给大家！ 扫描下面二维码，投出你最想读的主题！ 我们将选出获票数前九位的主题作为接下来一年的科普主题~  出品 | 中山大学天文学社 撰稿 | 徐哲宇 编辑 | 赖海健 初审 | 黄志琦 王锴松 张靖毅 审核 | 王昕 审核发布 | 郝雅娟 |
