类星体

一个吞食得如此之快、比整个星系还亮的黑洞

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不是恒星的恒星

1963 年，马尔滕·施密特发现一个名为 3C 273 的暗淡光点并不是恒星：它的光在约 20 亿年的旅程中被膨胀的宇宙拉伸了。

3C 273 最初是作为射电波源为人所知的，是第三剑桥星表中的第 273 个。1962 年月球从它前面经过，测定它的射电波何时消失，确定了它的位置。那里是一颗看似普通的 13 等星，旁边有一道暗淡的条纹。

它的光谱一直无法解释，直到施密特看出那是熟悉的氢谱线图样，向红端移动了近 16%。只有宇宙膨胀能做到这一点，所以它的光已经走了约 20 亿年。从那么远还显得那么亮，它的威力必定惊人。这类天体被称为类星射电源：类星体。

比一百个银河系还亮

3C 273 的亮度相当于 4 万亿个太阳，约为整个银河系的一百倍，而且几天之内就会闪烁：所有这些光都来自一个只有几光日宽的区域。

3C 273 周围是一个巨椭圆星系，但在普通照片中它消失在中心的强光里。直到 2024 年，哈勃借助日冕仪——像日食时月球挡住太阳那样挡住中心的光——才清楚地看到它。

如果 3C 273 只在 30 光年外，它在我们天空中会像太阳一样亮。然而它的光在几天内就会变化，而任何东西整体变亮的速度都不可能快过光穿过它的时间：光源只有几光日宽，大约是我们太阳系的大小。

星系按巨椭圆星系的简单模型绘制；其中心亮多少依据测量。

进食中的黑洞

中心是一个约 2.6 亿个太阳质量的黑洞。盘旋落入的气体在盘中被挤压加热，直到比整个星系所有恒星加起来还亮。

几乎每个大星系的中心都有一个超大质量黑洞，大多数都很安静。类星体是正在被喂食的黑洞：来自其星系的气体，常常因与另一个星系碰撞而被搅动，落向它的速度比它能吞下的还快。

气体无法直接落入。就像下水口周围的水，它旋转成一个扁平的盘，自身摩擦、损失能量，一边变热一边缓慢地螺旋向内。黑洞的阴影和周围弯曲的光按广义相对论绘制；盘上的条纹为绘制。

最猛烈的光

在黑洞附近，吸积盘主要发出紫外线。落入黑洞能把气体质量的约十分之一化为光：是恒星中核聚变的十四倍。

落向黑洞的物质会加速并变热。当盘中气体到达最内稳定轨道——视界大小的几倍处——时，约十分之一的质量已化为热和光，如果黑洞快速自转还会更多。

太阳把氢聚变成氦时，只把燃烧质量的 0.7% 化为能量。这就是为什么进食中的黑洞是宇宙中最强大的持续光源。吸积盘转向我们的一侧看起来更亮更蓝：以接近光速运动的气体把光向前方集中射出。

紫外线不可见；吸积盘按其温度的颜色绘制。

高速轨道上的云团

再往外，气体云以约每秒 3,000 公里的速度环绕，距中心约 145 光日。2018 年一台名为 GRAVITY 的仪器看到了它们在旋转，由此称出了黑洞的质量。

类星体的光显示出宽谱线：每种元素的颜色都被抹开，因为发出它们的气体以每秒数千公里的速度运动，有的朝向我们，有的远离。这些云团被其内部的吸积盘照亮。

2018 年，把 ESO 甚大望远镜的四台 8 米望远镜合而为一的 GRAVITY，测出了云团的光在 3C 273 上来自何处，并看到它们在旋转：一侧朝我们而来，另一侧远离。在那个距离上它们绕行的速度给出了黑洞的质量：约 2.6 亿个太阳（GRAVITY Collaboration 2018）。

云团的颜色为绘制：朝我们而来为蓝，远离为红。它们的旋转被加快了；实际绕一圈需要几个世纪。

横贯星系的喷流

有些气体永远不会落入。它以接近光速沿轴线被抛出，形成一条长 20 万光年的喷流，是银河系宽度的两倍。

在黑洞附近，被旋转的盘和黑洞缠绕起来的磁场，把少量气体以接近光速沿轴线抛出。大约十个类星体中有一个的喷流强到能在射电波段明亮发光。

3C 273 的喷流在普通哈勃照片中也能看到，是一道长约 20 万光年的条纹。其中的结看似以超光速向外飞奔：这是错觉，因为它们以接近光速几乎正对着我们运动，所以它们的光挤在一起到达。背向我们的那条孪生喷流太暗，看不见。

喷流画成淡蓝色，就像它在哈勃照片中的样子。

最亮的一个

已知最亮的类星体 J0529-4351 的亮度相当于 500 万亿个太阳。它那 170 亿个太阳质量的黑洞每天吞下超过一个太阳的气体。

J0529-4351 亮到几十年来巡天观测都把它列为恒星。2024 年，克里斯蒂安·沃尔夫领导的团队用 ESO 的甚大望远镜证明它是一个类星体，它的光在 120 多亿年前就已出发。

它的黑洞约为太阳质量的 170 亿倍，而且仍在增长。喂养它的吸积盘宽约 7 光年，是已知最大的，亮度超过 500 万亿个太阳（Wolf 等人 2024）。

吸积盘按其实测大小绘制。其中心黑洞的阴影在这个尺度下小得看不见。

类星体时代

类星体在约 100 亿年前最多，那时星系年轻且充满气体。此后大多数已耗尽食物，如今明亮的类星体很少见。

由于光需要时间才能到达我们，最远的类星体也是最古老的。在每个距离上清点它们表明，100 到 110 亿年前明亮类星体比今天常见约一百倍。

那时星系富含气体，经常碰撞，把气体推向中心。随着气体被用于形成恒星或被吹走，大多数黑洞沉寂下来。今天许多巨大星系中都藏着昔日类星体沉睡的黑洞。

图表大致给出巡天发现的形状。这里类星体的暗淡为绘制。

我们自己的黑洞

银河系的黑洞人马座 A* 重 430 万个太阳，几乎不进食。但星系上下两个巨大的伽马射线气泡表明，它在几百万年前曾爆发过。

人马座 A* 比 3C 273 的黑洞轻约六十倍，几乎处于饥饿状态：它只有几百个太阳那么亮，主要是射电波和 X 射线。

2010 年，费米太空望远镜发现了两个巨大的伽马射线瓣，各自在星系中心上下延伸约 25,000 光年。它们的大小和形状表明几百万年前中心发生过一次爆发，也许是人马座 A* 上一次饱餐的时候。

气泡肉眼看不见；这里画成紫色。银河系按简单模型绘制。

永不移动的灯塔

类星体远到似乎从不移动。天文学家把数千个类星体当作固定点，天空中的每个位置都以它们为基准来测量。

恒星在星系中运动，多年间会在天空中漂移。而远在数十亿光年外的类星体纹丝不动，所以它们是最好的地标。

国际天球参考框架用于为航天器导航和追踪地球自转，它建立在由世界各地射电望远镜测得的 4,536 个遥远射电源的位置之上，其中大多数是类星体（ICRF3，2018）。盖亚探测器把它近二十亿颗恒星的星图与约 160 万个类星体联系起来。

圆环像地图那样标出类星体；圆环中的点为绘制。

故事中的天体

TON 618

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