类星体的发现与观测

题目类星体的发现与观测

学生姓名王刚学号 1210014022 所在学院物理与电信工程学院

专业班级物理1201班

指导教师唐洁 __ ___ __ 完成地点陕西理工学院

2016年 6 月 15 日

类星体的发现与观测

王刚

（陕西理工学院物理与电信工程学院物理学1201班，陕西汉中723000）

指导老师：唐洁

[摘要] 通过对类星体从概念的给出，类星体发现的历史、研究类星体的意义分析、类星体的分类方法、研究现状、观测手段、证认方法、目前面临的困境等方面进行简单归纳总结，尽量使用通俗的语言描述类星体半个世纪以来的发展历程，力图为读者呈现一个清晰的类星体的发现与观测的过程。

[关键词] 类星体；多波段观测；红移

0 引言

类星体是20世纪60年代天文学界四大发现之一，其他三大发现分别是脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子，而类星体已经成为天体物理一门独立的学科并已成为最活跃的研究领域之一，类星体的体积和能量都非常大，距离地球远达数十亿光年，即便在最强大的望远镜中看上去也只是一个不起眼的亮点而已，类星体也是迄今为止人类所观测到的最遥远的天体，类星体的发现过程体现了人类对于宇宙深处未知秘密的渴望，多元化的观测手段也促进了望远镜技术的快速发展，类星体是宇宙中最明亮的天体，但是类星体存在的时间较短，而且只存在于早期阶段的宇宙，所以对于人类了解早期宇宙的演化具有重要的意义，宇宙大爆炸后10亿年以内的高红移类星体为我们研究早期宇宙提供了重要的探针，由于类星体的演化与其中心黑洞和寄主星系密切相关，所以对类星体的研究尤其是高红移类星体有助于人类了解早期大质量黑洞的形成与增长、星系的形成和演化等等问题，其中黑洞质量的大小对于帮助了解宇宙的早期以及超大直径黑洞的形成和演化有着重要的作用[1]。类星体的绝对星等在-25至-33等之间，这代表类星体是宇宙最亮的天体，类星体不仅是人类已知的宇宙中最明亮的天体，而且比正常星系亮的多。对能量如此大的物体，类星体的体积却不可思议地小，与直径大约为10万光年的星系相比，类星体的直径大约为1 光年，甚至更小，一般天文学家认为这种现象有可能是因为黑洞吸引了大量的物质之后而释放大量的能量导致。因而对于类星体的研究已经向天体物理学发出了前所未有的挑战，具有各自信仰和观点的天文学家们按照自己的信念去观测，收集，研究宇宙的信息，然后提出各自的宇宙模型，例如大爆炸理论等，虽然大爆炸理论已经得到越来越多的人支持，虽然有相当多的证据证明大爆炸理论是合理的，但仍有一些理论和现象与大爆炸理论是相悖的，所以这些模型和假说还远远不能自圆其说，“理论家们”随时都在向现有理论和观点提出挑战，可能一个很小的细节就可以完全推翻人们固有的认识，无论是哲学家还是科学家都应该抱着学习的态度，充分考虑个方面的因素，尽可能的站在更高点去看待问题，每一天宇宙对于我们来说都应该是全新的，例如著名的地心说就曾经统治了人们的思想好几个世纪之长，切不可让历史重演，天文学的变革可能随时发生；由于人们认识类星体的时间并不算太长，而且对于一些奇特的现象如红移产生的原因，天体极快的推行速度，以及类星体的能量之谜。都对人们现有的物理理论提出了巨大的挑战，倘若有一天这些问题得到解决，对于我们认识宇宙、认识地球、认识人类都将对人类文明的进步起到极大的促进作用 [2,3]。

观测和研究类星体、探索宇宙的奥秘不仅仅是天文学家的问题，类星体是天文学领域中一个热门的研究领域，每一次的重大发现都让天文学家们重新思考即有的理论，了解类星体首先要了解类星体的发现和观测的过程。

1 什么是类星体

类星体，顾名思义就是类似于星的天体，这里的星指的是恒星，所以又称为似星体、此外还被称为魁霎或类星射电源，如图1.1中是类星体和恒星在一

起的照片，左边是类星体，右边是恒星，可以看出非常相

似，由于在光学望远镜中观察，类星体与普通的恒星看上

去似乎没有区别，长期以来，它总是让天文学家感到困惑

不解，近一些年来随着各种观测技术以及计算机技术的快

速发展，各类大口径望远镜和超级计算机的应用大大加速

了人类发现和研究类星体的速度，人们也进一步认识了类

星体以及宇宙本身。射电天文学在二战中的应用为类星体

的发现打下了良好的基础，由于二战的结束，一批为战争

服务的科学家便转向研究射电天文，所以英国射电天文学

迅速发展。剑桥大学利用射电望远镜进行巡天观测，寻找

天空中发射射电波的天体，到了上世纪中叶，剑桥大学就

发表了第一个射电源表，由于当时射电望远镜的空间分辨率图1.1 类星体和恒星

很低，射电源的发射线找不到对应的谱线，绝大多数射电源得不到证认，人们不知道这些射电源对应于何种光学天体。1960年美国帕洛马山天文台的天文学家桑德奇利用口径为5米的望远镜发现了一个约16等的恒星状天体，也就是3C 48，3C 48指的是1959年剑桥大学经过重新修订的射电源表3C中的第48号源（3C 273同），之前还分别发表过1C和2C，其中以剑桥射电源第三星表（简称3C）最为著名，桑德奇发现它的特征与恒星有很大的差异，1962年，天文学家哈扎德用设在澳大利亚的帕克斯射电望远镜准确的测量了3C 273的位置，但依然无法证认这个射电源的发射线，显然新的天体即将被发现。由于旧思想的束缚，前面的两位天文学家桑德奇和哈扎德都与类星体的发现者擦肩而过，他们都先后观测到了“不正常”的现象，然后机会只留给善于思考的人，最终在1963年4月，美籍荷兰天文学家施米特将他的工作发表在著名英国《自

然》杂志上，他观测到3C 273的光谱中具有与3C 48类似的现

象，发现这些发射线实际上只是氢的发射线，人们早已熟知，图

1.2是3C 273的光谱图,上方是它本身的光谱下方是作为波长定

标的标准光谱，图中可以看到3C 273的发射线朝着红光的方向

移动了相当长的一段距离，也就是说它们产生了的红移现象，

使得谱线不易证认，当人们听了施米特的解释后才恍然大悟，图1.2 3C 273的光谱图[4]

一类新的天体宣告被发现，施米特也也成为了这一新天体的发现者。之后天文学家们致力于从射电源中寻找类似的天体，并把这一天体取名为类星射电源，简称QSRS，后来，QSRS的名称逐渐转化为另一个词：Quasar，也就是类星体。

一般来说，类星体具有如下的特征[3]，类星体的名称来源就是因为大多数类星体都是恒星状天体所以这是类星体的一条重要特征。类星体的光谱中有很强的发射线，也有许多吸收线，发射线指的是天体周围炽热的气体发射的特定波长的波所形成的明亮的谱线，吸收线指的是来自天体的光被原子或者分子选择性的吸收，导致那部分的光从星光中被消去，在光谱中留下一条条的暗线；类星体的有着与绝大多数恒星明显不同的光谱；类星体还具有光变和红移现象，光变是指是天体的亮度变化，观测表明，类星体的光学辐射常有变化，光变是类星体的普遍特征，而且光变并没有明显的周期性，有的是几年，有的却只有几天，而且发射线的强度和轮廓也经常发生变化。红移指的是物体（这里指的是类星体）的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，所以称之为红移。类星体所有的发射线发生红移现象，而且非常大，红移是类星体的基本特征之一，河外天体的光谱都有红移，但类星体的红移是最大的，但每条发射线的红移量都相同；最后就是类星体相对与其他的天体来说亮度很大，这也可以成为观测类星体的一个重要特征。

另一方面，在人们长期的观测和比对后发现，赛弗特星系和类星体极为相似，赛弗特星系具有小而明亮的核，而且常具有旋臂结构，地面望远镜可以观测到寄主星系，赛弗特星系在光度上是类星体的暗端，为了区别二者，通常给赛弗特星系的光度定下一个上限，即要求绝对星等M>-23等；此外，在对比光谱时他们也有着明显的区别，赛弗特星系的光谱中有大量的高电离发射线，光学连续光谱很蓝，红外辐射很强，有明显的紫外超，光谱中也能看到寄主星系恒星的吸收线，赛弗特星系也是X射线源，相比于其他的活动星系核，X射线似乎更强赛弗特星系的光学、红外、X射线等都观测到光变[4]。

2疑难问题和研究现状

类星体有两大疑难问题[2]，一个是类星体的能量之谜，我们都知道类星体直径比普通的星系小的多，但却能发出比普通星系大的多的能量，从现有人们所了解的知识来看这是难以理解的；另一个红移问题，到底类星体是离我们很近还是非常遥远，巨大的红移如何解释。有关红移的疑问，在类星体光谱线证认史上曾产生过四次疑难，有些到现在都无法揭开谜底，例如第二次疑难，人们发现类星体的发射线和吸收线有些近乎相等，有些却相差极大，到现在为止，人们依然没有搞清楚原因所在，在某些高红移的类星体中，类星体光谱存在吸收线的“多重红移”，而且即便是考虑多重红移，依然有吸收线无法解释清楚，在天文学家中，认为类星体是非常遥远的天体的观点并不普遍。有人认为，类星体的巨大红移可能不是宇宙学红移，就是说，它们可能并不是不是宇宙通常膨胀的结果，而是其他原因，宇宙学红移相关的证据一方面是满足哈勃关系的直接证据，第二个证据是经过一些人的计算得出类星体和星系是相同起源，最后一个是类星体的光穿过前景星系后，为星系晕所吸收而产生的吸收线；而非宇宙学红移的证据也有几方面，通过提取一些类星体进行计算，却找到了反对宇宙学红移的观点，第二个方面是不同红移值的类星体可能具有相同的起源，狄夫特的观点认为，在抛弃宇宙大爆炸学说来看，宇宙膨胀对于我们来说可能是一种错觉，当然这一见解也需要我们对银河系的恒星研究后加以检验。中国天文学家为主的科研团队发现了一颗距离地球128亿光年、430万亿倍太阳光度、中心黑洞质量约为120亿个太阳质量的超亮类星体，这对于我们现有的宇宙早期黑洞的形成和增长理论提出了严峻的挑战，现有理论很难对质量增长速度如此之快给予很好的解释，举例来描述这一发现的意义，如果将我们的宇宙比作一位100岁的老人，那么当宇宙还是个6岁的孩子时，这颗类星体就存在了，一个6岁大的孩子已经是个几百斤的大胖子了[5]，质量增长如此之快，这用现有的理论是无法解释的，所以人类研究宇宙的道路还将会非常的漫长。

发现类星体的难点首先是研究高红移类星体所需要的样本很难被观测到，大口径望远镜和空间望远镜的发展将缓解这一困境，但由于高红移类星体发现和证认都比较困难，发现高红移类星体通常需要利用光学、红外大天区面积的巡天测光数据来选取候选体，并利用中大型望远镜的光学、近红外光谱观测对候选体进行证认，所以高红移类星体的观测和研究仍然是一项挑战。研究类星体除了对天体物理的现有理论发起挑战之外，对于哲学的研究也产生了相当大的影响，篇幅所限，这里不加以讨论。当然研究类星体不仅仅是对现有理论提出挑战，更让人们更加清晰的认识了我们的宇宙，类星体是研究宇宙演化的重要工具，通过估算目前已知的类星体样本距离地球的距离，我们可以被估测黑洞的质量和光度，为研究黑洞提供了证据，也为研究不同时期宇宙的演化提供了有利的工具[5]，所以发现更多的高红移类星体才能更有效的研究黑洞，进而对不同时期的宇宙演化做出判断，未来大型的光学和红外巡天（如LSST等），大型的望远镜如（TMT等）也将为我们找到更多的类星体。

3 观测手段和证认

发现类星体通常需要通过多波段观测（包括光学、射电、X射线、红外等）得到候选体，再利用中大型望远镜的光学、红外光谱观测进行证认。类星体的基本观测特征包括类星、强发射线、连续光谱、光变、大红移、高光度等[4]。利用类星体的特征对某个天区进行搜索的过程被称为类星体巡天，在确认类星体之前有一个重要的前提就是通过类星体巡天得到一个好的类星体样本，需要注意的是无论采用何种方法，选取类星体候选体的过程总会不可避免的混入其他恒星，巡天的要求就是尽可

能减少混入其他恒星的数量，类星体巡天的基本原则是尽可能的做到两全因此由于实际上任何巡天都不可能是无偏的巡天工作优先考虑的是得到大量的可供研究的类星体样本，同时，也给出选择效应的详细说明，类星体巡天的依据的有关特征有类星、强的发射线光谱、从γ射线到射电波段的连续光谱以及连续辐射的光变等，除了类星是必须特征以外，其他的特征在实际的巡天过程中一般有选择的使用，所以才产生了各种各样的巡天方法。类星体巡天分为光学波段巡天和其他巡天两大类，比较大的一个分类就是光学波段巡天。首先来介绍光学波段巡天。光学波段是类星体巡天的最重要的一个波段，一方面，光学波段是类星体巡天中最有效的一个波段，另外，由其他波段巡天选取的类星体候选者必须经过光学波段的光谱证认，光学波段主要利用类星体的发射线和连续光谱方面的特性，光学波段巡天包括颜色巡天、光谱巡天、光变巡天以及零自行巡天[6]。

光学波段巡天里最简单的巡天方法是紫外超巡天，低红移的类星体往往有明显的紫外超，利用这一方法需要测量的参数少，但缺点是“污染源”也比较多，而且工作量大，效率低下，而且不适合红移较大的类星体，最早的紫外超巡天是上世纪60年代苏联的一座天文台的天文学家进行的巡天，当时并不是为了寻找类星体，而是为了避开热矮星，但某些亚矮星和白矮星也满足条件，也会被包含在候选者中，成为最主要的“污染”源；第一个紫外超类星体完备样本是1970年Braccesi得到的，包含的类星体很少。比紫外超巡天准确一些的就是多色巡天，相比来说多色巡天利用了较多的连续光谱的信息，这种方法可以将类星体与大多数恒星分开，污染源也较少，效率更高，得到的样本更完备，但工作量更大；比较著名的例子就是近年来开展的斯隆数字巡天项目（SDSS）已经发现了几千个类星体，斯隆数字巡天使用美国新墨西哥州Apache Point天文台的2.5米口径地平式望远镜进行大面积天区数字巡天，SDSS巡天项目从2000年开始启动，巡天面积已经达到四分之一天区，能对天体的星等、颜色、轮廓、大小等参数进行测量，虽然SDSS项目极大的方便了科学工作者发现类星体，但众所周知，截止到2012年8月，斯隆数字巡天发布了大量的观测数据[7]，如何从这些海量数据中有效的提取类星体候选体也是一个天体研究者们需要思考的问题，一些科学工作者给出了一些可行的筛选数据的可用的算法[8]，虽然基于斯隆数字巡天天文学家发现了近30万颗类星体[9]，但其中高红移类星体却少之又少，而高红移的类星体的研究恰恰是非常有意义的，虽然SDSS极大的加速了发现类星体的速度，但针对高红移类星体的发现依然需要继续发展；除此之外还可以利用光谱能量分布来筛选类星体，光谱巡天也是一类重要的巡天手段，其效率很高，这里有一个例子是我国著名的天文学家何香涛曾与美国著名的天文学家阿尔普教授合作，阿尔普教授是当代类星体研究的权威之一，阿尔普教授在其专著《类星体、红移及其争论》一书中写到“中国天文学家何香涛反复搜寻了这些底片，最后在中心区9.1平方度内找到了43颗类星体候选体，我用分光方法观测了其中33颗，结果94%是类星体，这是我所知道的寻找类星体的最高成功率”，这里用到的方法[4]便是光谱巡天的方法，但此方法也肯定不是完美的，同样具有不可避免的缺点，无缝光谱巡天以发射线强弱为依据，因此不适合发射线很弱的类星体容易被忽略，更适合高光度类星体，无缝光谱巡天也很难准确的决定样本的极限星，观测深度不如颜色巡天，最后是在密集的天区光谱会发生重叠，会降低观测效率。

光变巡天是利用类星体的光变特征来搜寻类星体，此方法时间跨度很长，对测光的精度要求也很高，鉴于大型望远镜观测代价昂贵，人们也想出了一些可行的方法[10]提高效率以节约大型望远镜宝贵的观测时间，即利用结构函数方法把类星体从众多的恒星中分离出来，此方法也有一批突出的成就产生，光变巡天的主要缺点主要是至今人们不知道光变类的类星体所占的比例，因此难以对样本的完备性进行判断，光变方法更适合有低光度、强烈光变和低红移的类星体，与适合高光度类星体的巡天方法相结合将有助于改善样本完备性。零自行巡天的方法也发现过一些类星体，但由于测定自行困难，而且需要长时间的积累观测资料，精度不高，结果就是效率低下，所以不常被采用，但零自行巡天得到的类星体样本理论上应该是无偏的，在某些特殊情况，零自行巡天可以作为其他巡天方法的很好的补充。

由于射电类星体是类星体的一大类，所以通过射电巡天搜索射电类星体是极有意义的工作，射电方法也是最经典的发现类星体的方法，其最大的优势在于射电巡天不受红移的影响，举例来说，科学家们利用FIRST巡天发现了1760个候选体，证认了957个，由此可以证明射电巡天的优势非

常明显。红外巡天一般是利用卫星观测来避免地面观测受天气和环境的影响，比如太空望远镜的使用，此方法有助于发现高红移类星体。此外还有X射线巡天、γ射线巡天、亚毫米波巡天等，它们也各有利弊，X射线巡天的效率很高，例如，EMSS巡天探索到的1400个源中约30%是类星体和活动星系核，但X射线观测的定位精度不高，所以人们对新一代的X射线探测器做了很大的改进。多波段观测就是利用前面提到的各种方法来搜寻类星体，综合各种方法的优势，显然可以提高效率。由于其他波段巡天还需要再进行光学波段的观测才能确定，因此光学波段巡天通常是寻找类星体主要的方法，也是最有效的巡天方法。还有一些方法[11]因篇幅所限没有列出，可以肯定的是每种方法都有相应的适用范围，各有优势和缺点，科学工作者往往都要多种方法相互结合，发挥每种方法的优势，又快又好的寻找可靠的类星体候选体。

巡天的结果就是希望能得到一个完备所谓类星体样本，但由于巡天方法的不完善，往往完备样本只是一个追求的目标，然而尽量的提高类星体候选体样本的多样性和准确性，对发现类型体具有极其重要的意义。最终，将候选体找出来之后，还必须用大型望远镜仔细观测其光谱，并测出其红移值，一颗类星体便宣告被发现了，天文学家何香涛在英国筛选好候选体之后，于1982年前往美国使用帕洛马山天文台的5米望远镜进行观测，确认了13颗类星体，为后续的深入研究打下了坚实的基础[12]。根据一些科学工作者的研究结果[13]，他们经过几年的艰苦工作，初步筛选除了1000余颗候选天体，再经过一系列方法进行进一步筛选之后，确定348颗类星体候选者，其中163颗可比较容易的确认为类星体，其余则需要借助更大的望远镜进行进一步的观测。这符合上述介绍的类星体的发现过程。

4 结语

每一项科研活动都不是轻轻松松就可以得出成果的，天文学也是如此，这是一门以天文观测为主的学科，通过观测得到的数据对天文现象进行假设，再用观测的数据来证明假设，所以类星体研究的进展主要也是观测技术的发展，回顾类星体发现的这半个多世纪以来，从一开始发现一两个类星体到现在斯隆数字巡天等项目获取大量的数据，科学技术的发展是如此的迅速，然而这并不代表人们仅仅靠机器就可以完成类星体的发现和观测的过程；发现类星体的过程主要是筛选合适候选体和后续的光学波段的光谱证认，而只有可靠性高的候选体才会占用宝贵的大型望远镜观测时间进行进一步证认，所以筛选候选体至关重要，选择候选的方法主要有射电方法、多色方法、无缝光谱方法、红外辐射方法、零自行方法[11]，在实际的观测过程中，往往是多种方法相结合，也就是多波段巡天，减少样本的不完备性，才能更好的发现高可靠性的类星体候选体；而类星体的证认需要借助大型的光学望远镜，我国的大型光学波段望远镜口径小数量少，所以大部分还要借助国外的望远镜，类星体的发现往往是国内外的研究者们合作完成；现在我国的类星体科研工作者主要利用的是云南天文台的2.4米口径望远镜，未来国内将有更多的望远镜投入使用，这必将极大的加速和方便国内的科学工作者观测和研究类星体，由于一些历史原因的影响，在1994年中国人发现了自己的第一个类星体，虽然距离类星体发现过去了41年，但是丝毫不会影响中国天文学家对于研究宇宙的热情，甚至帮助日本人发现了亚洲的第一颗类星体[4]，类星体的发现与观测是一项及其复杂的工作，可喜的是，我们也不断的可以看到科学工作者们在人类发现和研究类星体的工作中提出各种各样的想法和建议，人类了解宇宙奥秘一方面需要各种精密科学仪器的支持，更重要的是科学工作者们坚持不懈的努力，他们投身于繁琐的数据和茫茫的星海之中，利用精湛的技巧和勇于探索的心发现了一颗又一颗类星体，做出一项又一项伟大的贡献，为人类揭开宇宙的奥秘添砖加瓦，随着科学技术的不断发展和研究类星体的不断深入，相信在以后的时间里，摆在天文学家的面前的问题还有很多，人类在很多最基本的物理问题上尚不能给出完备的解释，大的而且亟需解决的问题也有很多，例如种子黑洞的形成原因、早起宇宙黑洞如何增长、黑洞以及寄主的星系协同演化问题。这些问题的解决也不仅仅是观测和研究类星体就能解决的，但相信科学工作者们一定会借助各种手段，发挥聪明和才智，做出更突出的成果，推动人类文明的进步和发展。

致谢：

转眼间，大学的学习和生活已经接近尾声，通过此次的毕业论文，我深感自己才疏学浅，但只要怀揣一颗学习和上进的心，相信学业和生活必会提升到新的高度，特别感谢唐洁老师能在百忙中抽出时间对我的论文的辛勤指导，唐老师为论文研究的思路和文献的资料选择提供了有益的指导，使得我在论文完成的过程中少走了很多弯路，也感谢室友何川同学在我搜集参考文献的过程中提供帮助，最后感谢答辩老师们对我论文的批评指正。

参考文献

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[11] 何香涛.类星体的观测[J].物理学进展,1986,6(2):236-256.

[12] 何香涛.宇宙中最神秘的天体—类星体（二）寻找类星体[J].自然杂志,2014,37(3):215-220.

[13] 赫然,王嘉力.关于类星体的统计研究[J].大连民族学院学报,2001,3(1).

Discovery and observations of quasars

Wang Gang

(Grade12, Class1201, Major Physics, School of Physics and telecommunication Engineering,

Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000, Shaanxi)

Tutor: Tang Jie

Abstract：By quasars from a given concept, we discovered quasars history, significance analysis of quasar, quasars classification, status, observation means-identification method, is currently facing difficulties in areas such as simple summary, try to use plain language description of the development process of quasars half a century, in a bid to render the reader a clear quasars discovery and observation of the process

Keyword：quasar, multi-band observations, red-shift