2013年11月1日

類星體五十年

作者/金升光(任職中研院天文所)

雷達是二次大戰時的祕密武器,卻在戰後促進了電波天文學的快速發展。1960 年代有幾個重要的天文學發現,包括脈衝星(波霎)、宇宙微波背景輻射、以及本文的主題「類星體」最初都來自無線電波的觀測。我們的太陽不僅輻射出陽光,也放出無線電波,銀河與星系當然也不例外。但是,電波觀測的天空和肉眼所見大不相同。無線電波的波長是可見光的千倍以上,早年的電波觀測解析度不高,很難精確的決定某個電波源,究竟是光學照片上的哪一個天體。有些天體放出強烈的無線電波,經過確認的電波源就被依序編成目錄。有些在可見光照片中看起來似乎沒什麼特別,甚至於不易看見,直到天文學家發現隱藏在星光中的秘密。

類星電波源的發現

1960 年,天文學家首先辨認出一顆長得像16 等星的電波源3C 48。它和隨後被辨認出來的3C 196 與3C 286 都被當成前所未見的「電波星」(radio star)。當時,除了太陽,沒有看到其他星球發出強烈的電波,倒是有些信號來自超新星殘骸如蟹狀星雲和仙后A、明亮的電波星系像是天鵝A 和M 87、以及銀河中心的方向。這些怪異的「電波星」在照片上看起來像不可解析的點光源,它們的光譜包含了一些強烈的發射線,沒人能認出究竟是那個元素的指紋,它們的光度也顯現出隨著時間的變化。1962 年,利用澳大利亞剛落成不久,直徑64 公尺的電波望遠鏡透過三次月掩星(lunar occultation)的觀測,另一個電波源3C 273(圖一)的位置、大小和分布被測量出來。這引起了美國加州理工學院施密特教授(Maarten Schmidt)的注意。在電波觀測到的位置附近有一個明亮又奇怪的13 等「星」,旁邊還有一縷暗淡的輕煙或噴流。他用帕洛瑪天文台直徑5 公尺的望遠鏡,測得了這顆比冥王星還亮的天體光譜,與他先前測量3C 286 的結果相似,和超新星、白矮星、行星狀星雲、太陽色球或日冕的光譜有所不同。
圖一:哈柏太空望遠鏡拍攝的3C 273。
近似點光源的明亮星系核心產生明顯的繞射光芒,
下方偏右處的噴流清晰可辨(圖左)。
利用日冕儀遮蔽核心強光可以看
見核心周圍的星系(圖右)。

施密特照例準備發表他的觀測結果。忽然間他注意到3C 273 有幾條光譜線似乎有些規律,和氫原子這宇宙中含量最多的元素的巴耳麥譜線波長相比,竟然是一個固定值1.16。原來這些沒人能辨認出來的奇怪光譜,可以用類似都卜勒效應的紅移(redshift,符號z)來解釋!除了3C 273 的紅移0.16 之外,3C 48(z = 0.367),3C 196(z= 0.871),3C 286(z = 0.846)波長改變更多,也難怪先前沒有人能看出來。隨後,透過紅外光觀測3C 273 的頻譜分布,也找到了另一條巴耳麥譜線Hα,與先前的月掩星觀測結果同步於1963 年3 月發表,距今剛好半個世紀。

Quasar 的小故事

類似太陽的一般星球光譜以吸收譜線為主,頻譜接近黑體輻射,有點像家裡黃光或白光的燈泡,擁有特定的色溫。另一方面,如果紅移不大,這些貌似星球的天體顏色看起來特別的藍,提供了另一個觀測上快速篩選的途徑,因為準確測量光譜非常耗時,成本也高,用顏色來分辨就容易多了。天文學家陸續發現許多同類型的天體,稱為「類星體」(quasi-stellar object, QSO),會發出強烈無線電波的特稱為「類星電波源」(quasistellar radio source)。這冗長的英文名詞雖然準確的描述了這種新天體的特性,使用上並不方便。1964 年,旅美的丘宏義教授在社群刊物《今日物理》中首次採用了「quasar」一詞來代表類星電波源的縮寫。不過,隨著更多的觀測結果發現,類星電波源只佔少數,約90%反而是屬於電波寧靜的天體,就出現了像是「電波寧靜的類星電波源」(radio-quiet quasar) 這樣的矛盾名詞。知名的天文物理學家錢卓所主編的《天文物理期刊》就拒絕採用這說法,直到1970 年,在施密特的堅持下,才在文章頁尾加上了編註,很不情願的讓「quasar」一詞過關。今天,如果不指涉到電波特性,類星體、quasar 或QSO 通常都指同樣一類的天體。

活躍星系核

「電波星」的概念很難解釋這出乎意外的超大紅移,類星體的謎團與爭議持續了相當長的時間。當今的觀測結果顯示,類星體是「活躍星系核」(active galactic nucleus, AGN)的一種,距離地球非常遙遠,紅移主要來自宇宙膨脹。以3C 273 為例, 距離我們約20 億光年上下。把它的亮度換算成絕對星等,再和太陽相比不難發現,3C 273 輻射出的能量遠大於整個銀河系所放出來的能量。此外,從光度變化特性還可以看出,這類天體活躍區域的直徑不會超過太陽系的大小。早在1943 年,美國天文學家西佛(Carl Keenan Seyfert, 1911~1960) 就發現了一種核心異常明亮的星系,它們也擁有不尋常的發射譜線,這類天體稱為「西佛星系」(Seyfert galaxy)。有些譜線寬度顯示超過500 km/s 相對於核心的高速運動,透露出這類星系核心的動力學結構。【更詳細的內容,請參閱第527期科學月刊】

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