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耀變體
密度極高的高變能量源
耀變體blazar。類星體中具有高能量和變化特征的一類，被認(rèn)為在朝著地球的方向上具有物質(zhì)噴流，導(dǎo)致呈現(xiàn)比其它類星體更為高能的特征。
耀變體是一種密度極高的高變能量源，被假定為是處于寄主星系中央的超大質(zhì)量黑洞。耀變體是目前已觀測(cè)到的宇宙中最劇烈的天體活動(dòng)現(xiàn)象之一，并已成為星系天文學(xué)的一個(gè)重要話題。
典型的耀變體——S5 0014 + 81黑洞
耀變體是眾多活躍星系中的一種，也被稱為活躍星系核（AGN）。不過，被稱為耀變體的星體并非都完全相同，其仍可分為兩種：第一種是高變類星體，也被稱為光學(xué)劇變類星體（為類星體中的一類）；第二種為蝎虎座BL型天體。另外還有少量耀變體可能屬于“過渡耀變體”類型，即兼具光學(xué)劇變類星體和蝎虎座BL型天體的某些特征。耀變體（blazar）這個(gè)詞由天文學(xué)家埃德·施皮格爾于1978年創(chuàng)造，用以指稱上述兩類天體的集合。
耀變體是一種相對(duì)論性噴流（在大概方向上）指向地球的活躍星系核。因此，對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)的我們通常處于噴流的“下游”。這也說明了這兩種耀變體的高變性和高密度的特征。許多耀變體甚至在噴流的數(shù)個(gè)秒差距內(nèi)出現(xiàn)超光速運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，這可能是由相對(duì)論性沖擊波造成的。
基本信息
| 中文名 | 耀變體 |
| 外文名 | blazar |
| 地方 | 類星體中 |
| 具有 | 高能量和變化特征的一類 |
NASA與耀變體
NASA通過寬頻紅外探測(cè)儀（WISE）收集到超過200多個(gè)耀變體的信息，這些資料有助于黑洞的研究。天文學(xué)家們對(duì)此興奮異常，對(duì)該項(xiàng)研究的潛力有著樂觀的積極性。
耀變體是宇宙中最活躍的天體現(xiàn)象。巨型星系中間的黑洞吞噬者周圍的物質(zhì)，因此而產(chǎn)生耀變體現(xiàn)象。當(dāng)物質(zhì)被拽向黑洞的時(shí)候，會(huì)有能量被釋放出來，其速度可以接近光速，稱之為“相對(duì)論性噴流（relativistic jets）”。耀變體的噴流特殊之處在于，只有徑直朝向地球的噴流才可以被清晰觀察到。
Francesco Massaro是來自Kavli 天體物理和粒子研究所的專家，在《Astrophysical Journal》雜志上發(fā)表過大量論文。談及此項(xiàng)研究，Massaro興奮之情溢于言表“耀變體現(xiàn)象非常罕見，因?yàn)楹诙串a(chǎn)生相對(duì)性噴流的時(shí)候方向是隨機(jī)的，只有很少一部分是對(duì)著地球的。我們用WISE紅外觀測(cè)另辟蹊徑，用通常用于低能輻射研究的觀測(cè)方法，來研究高能輻射的耀變體，取得了出乎意料的成果?！?/span>
該發(fā)現(xiàn)最終會(huì)幫助研究人員探索相對(duì)論性粒子束中的極端物理現(xiàn)象，以及宇宙幼齡階段，黑洞的演化過程
WISE首次運(yùn)用紅外線對(duì)整個(gè)宇宙空間進(jìn)行掃描是在2010年，并根據(jù)得到的數(shù)據(jù)編制了一份索引，把成千上萬的天體進(jìn)行分類。這次掃描收集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)于2011年4月首次向大型天文科研機(jī)構(gòu)發(fā)放，并于2012年3月發(fā)放了收集到的全部天體的數(shù)據(jù)。
Massaro和他的團(tuán)隊(duì)分析了首批數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包含了超過一半的天體，通過仔細(xì)地分析，驗(yàn)證了使用WISE來識(shí)別耀變體的想法。天文學(xué)上經(jīng)常通用紅外線來尋找溫度較低的星體。耀變體本身有著極高的溫度，并且散發(fā)γ射線。在電磁波譜中，這種γ射線攜帶的能量最高。然而，耀變體產(chǎn)生噴射中的粒子，會(huì)被加速到接近光速，此時(shí)會(huì)放射出不同特征的紅外線，可以成為分辨它們的“指紋”。
通過對(duì)WISE早期數(shù)據(jù)的篩選，天文學(xué)家在超過300個(gè)未知的γ射線源中，發(fā)現(xiàn)了耀變體的紅外指紋。據(jù)推測(cè)，其中一半與耀變體的紅外特征非常吻合。這項(xiàng)成果在揭秘未知高強(qiáng)度γ射線源的道路上做出了巨大貢獻(xiàn)，有利于我們認(rèn)識(shí)天空中這些神秘的領(lǐng)域究竟發(fā)生了什么。
耀變體
結(jié)構(gòu)
耀變體和其他活躍星系核一樣，都以物質(zhì)落入位于寄主星系中央的超大質(zhì)量黑洞同時(shí)產(chǎn)生能量作為其能量的最終產(chǎn)生機(jī)制。在引力的作用下，黑洞周圍的氣體、塵埃，有時(shí)還包括星體朝黑洞下落，由于具有角動(dòng)量，物質(zhì)形成了一個(gè)圍繞黑洞的炙熱的吸積盤，并進(jìn)入黑洞。在此過程中，產(chǎn)生了大量的以光子、電子、正電子和其它基本粒子形態(tài)存在的能量。這個(gè)作用區(qū)域十分狹小，大約只有10秒差距大小。
此外，在黑洞周圍數(shù)個(gè)秒差距的范圍內(nèi)還會(huì)形成一個(gè)龐大的不透光圓環(huán)，在這個(gè)該密度的區(qū)域內(nèi)包含著炙熱的氣體。這些“云”從更靠近黑洞的區(qū)域中吸收能量，并再次輻射出去。在地球上則可以通過耀變體電磁波譜范圍內(nèi)的譜線探知這些“云”。
相對(duì)論性束射
耀變體發(fā)射的可被觀測(cè)到的輻射被噴流中的狹義相對(duì)論效應(yīng)所增強(qiáng)了，這個(gè)過程被稱為相對(duì)論性束射。組成噴流的等離子體的速度能達(dá)到光速的95%-99%。(這并非典型的電子或質(zhì)子的真實(shí)速度，但是由于單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)方向不同，結(jié)果造成了等離子體的真實(shí)速度較低。)
處于靜止參考系中的噴流所產(chǎn)生的光亮亮度與從地球上觀測(cè)到的光亮亮度取決于噴流的特性——即光亮是由于沖擊波還是噴流中的亮點(diǎn)所產(chǎn)生，抑或是噴流中的磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)的粒子相互作用所產(chǎn)生的。
關(guān)于束射的簡(jiǎn)單模型揭示了基本相對(duì)論效應(yīng)與處于靜止參考系中的噴流所產(chǎn)生的光亮亮度S以及從地球上觀測(cè)的亮度S的關(guān)系，這其中還需引進(jìn)天體物理學(xué)中的一個(gè)要素——即多普勒因子D。在這里，S與S×D成比例。
下面列出了更多的細(xì)節(jié)，其中包括多種相對(duì)論效應(yīng)：
示例
?下面列出了更多的細(xì)節(jié)，其中包括多種相對(duì)論效應(yīng)：
?相對(duì)論性像差（洛倫茲收縮）：該效應(yīng)對(duì)應(yīng)公式中的D。像差是狹義相對(duì)論作用的結(jié)果，在這種情況下，靜止參考系中的同方向運(yùn)動(dòng)（在該例子中為噴流），在觀察者（在該例子中為地球）看來即會(huì)在運(yùn)動(dòng)的那個(gè)軸向產(chǎn)生收縮。
?時(shí)間膨脹效應(yīng)（愛因斯坦延緩）：該效應(yīng)對(duì)應(yīng)D的因素。該效應(yīng)加速了能量的釋放過程。如果在耀變體自身的靜止參考系中其每分鐘發(fā)生一次能量噴發(fā)，在地球上的觀測(cè)者看來，則可能變?yōu)槊?0秒中發(fā)生一次。
?窗口效應(yīng)(Windowing)：該效應(yīng)對(duì)應(yīng)公式總的D因素。該效應(yīng)減緩了物質(zhì)的推進(jìn)速度。這種效應(yīng)發(fā)生在噴流穩(wěn)定的情況下，因?yàn)檫@時(shí)從觀察者的“窗口”進(jìn)行觀察，作用于結(jié)果的要素較少——此時(shí)這些要素已經(jīng)由于多普勒要素而被放大。然而對(duì)處于自由傳播中的物質(zhì)點(diǎn)來說，輻射仍會(huì)在D要素作用下被加速。
如果噴流和地球觀察者的視線存在著5度的交角(θ)，且噴流的速度達(dá)到了光速的99.9%，那么地球觀察者所觀測(cè)到的亮度將會(huì)是發(fā)射亮度的70倍。如果交角(θ)達(dá)到了最小值即0度，那么從地球上觀測(cè)到的亮度則會(huì)是發(fā)射亮度的600倍。
束射擴(kuò)散
相對(duì)論性束射同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)重要結(jié)果?；谙嗤南鄬?duì)論效應(yīng)，反地球方向的那個(gè)噴流的光亮將會(huì)變得昏暗朦朧。所以一對(duì)兩個(gè)完全相同的噴流看起來將會(huì)極不對(duì)稱。這在上面的示例中就可得到證明，即交角(θ)大于35度的噴流，從地球上觀測(cè)到的亮度將會(huì)小于處于靜止參考系中的噴流實(shí)際的發(fā)射亮度。
此外，相對(duì)論性束射還有一個(gè)后果，即活躍星系核以隨機(jī)噴射方向向四面八方噴射的、實(shí)際上均勻分布的物質(zhì)，在地球上觀測(cè)則會(huì)認(rèn)為其分布是不均勻的。少部分交角較小的噴流會(huì)非常明亮，而其他的則顯得暗弱得多。交角若不為90度，在觀測(cè)中則必然會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)噴流的不對(duì)稱現(xiàn)象。
這就是耀變體與射電群之間的本質(zhì)聯(lián)系。即使是兩個(gè)本質(zhì)上相同的活躍星系核，如果其中一個(gè)的噴流噴射方向接近于地球觀察者的視線，另外一個(gè)又非如此，則觀測(cè)結(jié)果則會(huì)大有不同。
發(fā)現(xiàn)
許多明亮的耀變體最初都被鑒定歸類為銀河系中的不規(guī)則變星，而非耀眼的遙遠(yuǎn)星系。這些耀變體和真正的不規(guī)則變星類似，都會(huì)在以年計(jì)或以天計(jì)的時(shí)間里發(fā)生亮度的變化，但是這種變化并沒有固定的模式。
在射電天文學(xué)發(fā)展之伊始，即在天空中發(fā)現(xiàn)了眾多的明亮的射電源。到20世紀(jì)50年代末射電望遠(yuǎn)鏡得到改善、其能夠有效地將個(gè)別射電源與其他可見光源區(qū)別開來之后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了類星體。耀變體即這些早期發(fā)現(xiàn)的類星體中的典型代表，而首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的紅移星體——3C 273即是一個(gè)屬于耀變體的高變類星體。
使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的先進(jìn)巡天照相機(jī)拍攝的3C 273。
1968年再次發(fā)現(xiàn)了“變星”蝎虎BL與一個(gè)強(qiáng)烈射電源VRO 42.22.01之間的類似聯(lián)系。蝎虎BL表現(xiàn)出許多類星體的特征，但是其光譜中卻缺少用于確定紅移的譜線。1974年，又發(fā)現(xiàn)了蝎虎BL可能是河外星系的微弱跡象，這可以證明蝎虎BL不是一顆恒星。
蝎虎BL是河外星系的真相并不出人意料。1972年，綜合可變光和射電源等現(xiàn)象，科學(xué)家提議設(shè)立一個(gè)新的星系類型——蝎虎座BL型天體（BL Lacertae-type objects）。后來這個(gè)名稱被縮短為"BL Lac object"或"BL Lac"。（注意后一個(gè)簡(jiǎn)稱亦被用于指稱首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的蝎虎座BL型天體，而非整個(gè)類型。）
耀變體
現(xiàn)今觀點(diǎn)
耀變體被認(rèn)為是其噴流噴射方向接近觀察者視線的活躍星系核。
這種特別的噴流噴射方向解釋了耀變體的一般特征：如被觀測(cè)到的高亮度、高變性、高極化性（與非耀變體類星體比較）和在大多數(shù)耀變體附近數(shù)個(gè)秒差距范圍內(nèi)都可觀測(cè)到的超光速運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。
一個(gè)關(guān)于耀變體的統(tǒng)一模型正被越來越廣泛的接受了，即高變類星體與較強(qiáng)的電波星系有關(guān)；而蝎虎座BL型天體則與較弱的電波星系有關(guān)。兩類星體間的差別體現(xiàn)了耀變體輻射量豐度上的差別。
對(duì)相對(duì)論性噴流和統(tǒng)一模型進(jìn)行解釋的其他理論則涉及到了引力透鏡效應(yīng)和相對(duì)論性噴流的連續(xù)噴射理論。這些理論都無法全面的解釋耀變體的全部特征。如引力透鏡效應(yīng)即具有消色性，能夠?qū)⒐庾V的所有部分都進(jìn)行提升和降低；很明顯，這種現(xiàn)象沒有在耀變體中發(fā)現(xiàn)。不過這些理論以及更多的復(fù)雜等離子物理學(xué)理論可能能夠解釋一些特別現(xiàn)象和細(xì)節(jié)。
典型的耀變體包括：3C 454.3、3C 273、3C 279、蝎虎BL、PKS 2155-304、Markarian 421和Markarian 501。后兩者由于其攜帶及高能量（達(dá)到了萬億電子伏特級(jí)別）的伽馬射線而被稱為“TeV型耀變體”。
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