星系核

星系核

星系核是星系中心質量密集的區域,由大量的恆星、電漿和高能粒子等組成。星系核有寧靜星系核和活動星系核兩種。寧靜星系核中有各種光譜型的恆星,可能還存在中子星白矮星致密星。寧靜星系核常產生冪律譜形式的射電輻射。活動星系核具有劇烈活動現象,一般認為它的核心是一個黑洞,存在吸引力和噴流,還會發生星系核爆發星系核爆發是宇宙中最壯觀的天文現象之一。

  • 中文名稱
    星系核
  • 外文名稱
    nucleus of galaxy
  • 活動形式
    劇烈的氣體運動
  • 簡    介
    大多數星系都有很密集的中心部分

簡述

星系核

大多數星系都有很密集的中心部分。以輻射壓和引力相平衡等為依據,可以推知星系核的質量M約為10^8個太陽質量M⊙。星系核中包含恆星以及電離氣體、磁場和高能粒子。正常星系的核,通常是"寧靜"的。從寧靜核中已經觀測到各種譜型的恆星,也可能存在中子星等各種致密星。從一些星系核的譜線得知,核中有大質量的電漿(佔核質量的千分之一),溫度約幾千度,每立方釐米電子數為nε≈10^3~10^6。

寧靜核常常產生射電輻射,射電譜強度分布呈冪律形式,即Iν∝ν^(-α);對絕大多數核,α=0.7。在頻率ν≈10^9赫處它的射電輻射譜強度Iν≈10^-8爾格/釐米&sup2;。觀測表明,星系核90%的光度是在很窄的紅外區域產生的。紅外輻射極大頻率ν極大=2.5×10^13赫(即λ極大=70微米);在極大頻率兩側,強度迅速下降(當ν<ν極大,Iν∝ν^35;當ν>ν極大,Iν∝ν^-35)。

對大多數星系核而言,盡管它們的性質有很大差異,但它們的紅外輻射的極大頻率都是相同的。核有明顯活動的星系約佔星系總數的1~5%。核活動最強的星系是類星體,其次是N型星系(見特殊星系)和塞佛特星系。星系核的活動期估計為10^5~10^7年。

活動形式

①劇烈的氣體運動:從測量塞佛特星系的發射線可以估計,氣流速度可達每秒幾千公裏。這種氣流有時能一直延伸到核外幾千秒差距處。

②巨大的非熱輻射:和寧靜核相類似,強非熱輻射也是在紅外區達到極大,紅外極大頻率也是ν極大≈2.5×10^13赫,但是強度比寧靜時要大幾個量級,輻射功率可達10^46~10^47爾格/秒;總能量甚至可達10^62爾格。

③很強的光變:光學和射電的輻射強度隨時間有很大變化。例如3C273,有時在兩個月內光度的變化就差一倍。同時,對不同的波長,譜強度的時變幅度也不同:波長越短,時變越強。對多數活動星系核來說,光變時標近一年,從而可推知它的大小約為10^18釐米量級(相當于1秒差距)。

④規模巨大的爆發現象:有些星系核拋出大塊物質和相對論性粒子流,形成所謂物質噴射。M87就是一例。噴射物位于M87核的西北方向,其中有三個亮凝聚物和三個暗弱的凝聚物。凝聚物和核之間有發光"纖維"相連;此外,在這些噴射物相反方向也發現了一個小的噴射結構,其中有兩個凝聚物。有些星系核爆發時,物質向四面八方拋射出來,著名的例子是M82和NGC1275;許多射電星系類星體有雙源結構,這也可能是某種爆發的結果。

理論模型

①緊密星團假說

認為在星系核中心,恆星密度非常高,以致發生非彈性碰撞,釋放出巨大能量。但是,要使碰撞成為星系核的能源,那就要求星系中心處星團的密度高達每立方秒差距10^11顆恆星,這與觀測相矛盾。

②黑洞假說

認為是引力坍縮的結果。雖然引力坍縮所釋放的能量可達2×10^54M/M⊙爾格的數量級,M/M⊙是星系核對太陽的質量比,但轉化機製還不清楚;更重要的是,引力坍縮在 10^-5M/M⊙秒的時間內就完成了,這與觀測到的活動核的準穩態相沖突。固然,吸積可暫時緩和這個困難。但是,物質拋射將大大抑製吸積,因此困難仍未解決。

③大質量旋轉磁多層球模型

即磁轉子模型:定性地說,旋轉引起磁場扭曲而產生中性線(見磁合並),在中性線附近發生磁場的動力學耗散,使聚積的磁能轉化為粒子的動能,粒子就以相對論性速度沿著相反兩個方向拋出,這就是磁轉子的爆發機製。拋出的電子沿核外啞鈴狀磁力線回旋,發出同步加速輻射,為我們所接收。磁轉子模型在解釋活動星系核的主要觀測事實上雖然取得一定的成果,但是,理論要求星系核的光度應有準周期性,這與觀測資料並不相符。此外,在解釋活動星系核的極大紅外輻射和規模巨大的爆發現象方面,磁轉子模型還沒有成功。

④引力彈弓和氣泡模型

引力彈弓模型認為,星系核內由于恆星碰撞,形成若幹大塊物質。計算表明,如果形成三塊以上的大塊物質,則會出現引力不穩定性,將物質拋射出來。但是,這種模型不能解釋星系核的對稱拋射。而氣泡模型是一種流體力學拋射,它假設相對論性粒子在核裏形成一個"氣泡",以後分裂成兩個熱氣體泡,它們被星系際風吹到星系外,或被周圍冷氣體頂出來,形成大塊物質(氣泡)的拋射。這種模型要求有足夠的浮力,看來隻有處在星系團內的活動星系核才可能實現這種拋射。

⑤電漿湍動反應堆模型

這種模型可以闡明以下三個主要問題:反應堆中,強電漿波可使粒子加速到極端相對論性速度;在反應堆中,可以形成相對論性粒子的冪律譜;給出了輻射譜的特征,特別是解釋了星系核的極大紅外輻射,並且說明了各種不同星系核具有幾乎相同的紅外極大頻率的原因。然而,這種模型對星系核的拋射物質, 還不能作出有說服力的解釋。

參考書目

E.H.Avrett ed.,Frontiers of Astrophysics,p.438,Harvard Univ.Press,Cambridge,1976.

A. Ambartsumian,The Nuclei of Galaxies and their Activity,Interscience Publ.,London,1964.

據國外媒體報道,一份最新的天體觀測研究報告顯示,科學家在一個遙遠的星系中發現了一個巨型星系核,是此前見過的最大星系核,其形成機製可能源于兩個黑洞的合並事件。新發現的巨型星系核的跨度達到了1萬光年,研究人員將其編號為A2261-BCG。天文學家使用美國國家航空航天局的哈勃空間望遠鏡發現了它的存在,星系核呈現出難以想象的巨大,其所在的星系跨度是我們銀河系的10倍,星系核區所發出的星光顯得有些怪異,並沒有出現通常在星系核區可以看到的恆星聚光現象。

對A2261-BCG天體的觀測細節描述上最後一點顯得有些令人吃驚,因為超大質量黑洞被認為潛伏在該星系的核心附近,當然並不是所有的星系中央都存在超大質量黑洞。根據本項研究的合著者、來自亞利桑那州圖森市國家光學天文觀測台天文學家托德?勞爾(Tod Lauer)介紹:"我們使用哈勃空間望遠鏡對該星系核區進行觀測,就如同將一個最大桃子給切開來,但是我們並沒有發現其中存在桃核。我們不能肯定地說該星系中央不存在黑洞,但哈勃望遠鏡的觀測顯示在該星系核區內不存在恆星集中的現象。"

A2261-BCG星系是阿貝爾2261星系團中最亮的天體之一,其具有較為明亮的特征,其寬度達到了100萬光年,距離地球三十億光年,令科學家感到奇怪的是該星系存在一個明亮的、臃腫的核區,是其他極度發光核區三倍。天文學家認為該星系中央發生了黑洞合並事件,數十億倍太陽質量的黑洞可能使得星系核心出現"臃腫"。之所以在核區未發現大量的恆星集群釋放的光線,其中一個方案認為黑洞合並事件分散了星系內恆星的位置,一個黑洞失去運轉的動力來源而墜入另一個黑洞中。

另一個方案認為黑洞合並事件可建立引力波,這是一種獨特的時空結構漣漪,並在一個方向上體現出最強的輻射釋放,使得星系中的超大質量黑洞被"踢出"中央核區。國家光學天文觀測台天文學家托德?勞爾認為黑洞有些像恆星的"錨地",在引力作用下恆星可圍繞黑洞進行軌道運動,如果我們將其移除,那麽星系將突然損失大量的質量。A2261-BCG天體中的恆星似乎並沒有那麽集中,而且他們處于向外運動的過程中。

根據位于巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的研究人員、本項觀測論文的第一作者馬克?珀斯特曼(Marc Postman)認為天體"彈射"理論聽起來有些匪夷所思,但觀測宇宙卻是非常有趣的,有時你會發現一些奇特的東西。研究小組正在尋找A2261-BCG中央黑洞的證據,如果它是存在的話就可以探測到該黑洞產生的射電波。天文學家小組正在接觸位于新墨西哥州的射電望遠鏡陣列,希望通過該望遠鏡來觀測。本項研究已經發表在9月10號的《天文物理》期刊上。

新華網華盛頓11月8日電(記者張忠霞)地球大氣層在正常情況下會不斷接觸到來自宇宙的高能射線,科學家們一直在尋找這種神秘宇宙射線的來源。一個國際科研小組8日宣布,根據最新的觀測成果,他們認為宇宙射線的來源很有可能是活躍星系核。

由來自10多個國家的200多名物理學家組成的觀測研究小組,

在定于9日出版的《科學》雜志上發表報告說,他們利用設在南美洲阿根廷的皮埃爾·奧赫爾觀測台,探測到了大約80次宇宙高能射線活動。

結果發現,宇宙中的射線源頭並不是均勻分布的。在專家們探測到的宇宙射線中,能量最高的射線通常來自附近活躍星系核較多的太空區域。所謂活躍星系核,是指星系緊密的中心位置,這裏通常都是大型黑洞所在的位置,會噴發巨大的電漿射流到星系之間的空間。

宇宙射線在星系間四散,其中在光臨地球大氣層的宇宙射線中,有一些射線粒子在飛抵大氣層並與之碰撞時,仍具有相當高的能量。科學家們比喻說,經過長途跋涉後抵達地球附近的有些射線粒子仍像一個個快速移動的棒球。他們猜測可能活躍星系核處的黑洞磁場就像一個宇宙射線的加速器,使射線粒子獲得極高能量,以超高速飛行。

過去幾十年,科學家們一直嘗試通過各種途徑確定宇宙射線的源頭。此前,科學界也曾從理論上把活躍星系核作為宇宙射線的一個可能來源,上述最新觀測研究成果使他們更加確信宇宙射線很可能來自活躍星系核。

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