談天說文 活躍星系核

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1924年哈柏測量出M31星雲的距離，證實以前所認定的螺旋星雲或橢圓星雲，其實是存在於銀河之外，因為M31離我們的距離比銀河還要大。哈柏的測量不僅發現天外有天，銀河外還有其他的銀河（現今所稱的銀河應指我們太陽系所在的銀河，銀河外的則稱為星系，或河外星系），並將人類對宇宙的認識重新改寫，就好像哥白尼改寫了在他1千多年前亞里斯多德的宇宙觀（地心說）。哈柏另有兩項重要的天文貢獻，一是對河外星系加以分類，一是找到宇宙膨脹的證據。哈柏所發現的宇宙膨脹證據又稱為哈柏定律，說明了宇宙是動態的，如果哈柏早些完成，就不會有愛因斯坦自稱的最大錯誤。1915年，愛因斯坦從他的理論發現宇宙不是靜態的，為了符合當時的靜態宇宙觀，愛因斯坦在他的方程式當中，額外加入一個宇宙常數，結果反而成了畫蛇添足的錯誤。

哈柏當時對星系進行分類，主要用意是希望從中得到星系演化的靈感。這種手法並不是首創的，天文學家透過對恆星的分類，把各種不同的恆星標示在赫羅圖上，再從赫羅圖得到恆星演化的軌跡，瞭解了恆星的一生。當時的哈柏從星系的長相分出了螺旋星系、棒旋星系、橢圓星系和不規則星系，不過仍無法得到之間演化的絕對關係。1940年代，美國天文學家西佛發現另一種特殊類型的星系，這種星系看起來和一般的螺旋星系很類似，但它的核心卻非常地亮，並且帶有很強的寬發射譜線，M77就是典型的例子（如圖1），之後這類型的星系都稱之為西佛星系。

西佛星系不僅核心的可見光很強，在電波、紅外線、紫外線和X射線部分也很強，代表核心區域的氣體溫度很高，有些西佛星系的發射譜線很寬，表示氣體的運動速度很快，約每秒數百公里到每秒數千公里。這是因為氣體運動的都卜勒效應所造成的，高速運動的氣體使得譜線的紅移和藍移都很明顯，致使發射譜線變寬。之後天文學家發現還有很多不同類型星系的核心都很亮，有些核心的亮度比整個星系加起來還亮，有些伴隨著電波的結構，這樣的核心稱之為活躍星系核，所在的星系則稱為活躍星系。

天文學家將活躍星系核分成兩大類：電波強和電波弱活躍星系核。電波強活躍星系核包括電波強類星體（如圖2）、蠍虎BL〔型〕類星體（Blazars）、電波星系（如圖3）。電波弱活躍星系核包括西佛星系、電波弱類星體。這些星系通常都有以下的特徵：核心有可見光的連續譜、紅外光的連續譜、可見光的寬發射譜線、可見光的窄發射譜線、電波的連續譜、X射線的連續譜和X射線的發射譜線。

現今活躍星系核已經有了較為接受的統一模型，無論是那種類型的活躍星系核，統一模型都認為中心有一個超大質量黑洞在搞怪，超大質量黑洞的質量超過百萬個太陽質量，並且在周圍形成吸積盤（如圖4），黑洞和吸積盤的範圍很小，不超過0.003光年，在吸積盤外，還有一個甜甜圈狀的氣體盤，大約有1光年。靠近中心的區域稱為寬譜線區，約0.3光年大小，該區域的氣體比較靠近黑洞，所以溫度較高，運動速度較快，來自這區域的譜線比較寬。另外在較遠的區域稱之為窄譜線區，約3000光年大小，由於氣體的運動速度較慢，所以譜線較窄。沿著吸積盤兩極的方向會有噴流，由於當中帶有磁場，所以電子沿著噴流方向噴出時，會產生無線電波。吸積盤上的氣體會慢慢地旋入中心的黑洞，當離黑洞越近，運動速度越快，由於氣體相互摩擦，使得氣體溫度升高，進而發出很強的光，這種能量產生的效率比核融合反應要高上10倍左右，使得活躍星系核特別地亮。

在這樣的模型之下，從不同的角度看活躍星系核，便產生不同的活躍星系。如果電波較弱，從傾斜一個角度看活躍星系核，看到的光主要來自寬譜線區和窄譜線區，所以是一型西佛星系，但如果從近乎平行吸積盤方向，寬譜線區被甜甜圈氣體盤擋到，只能看到來自窄譜線區的光，因此是二型西佛星系。電波強的活躍星系核也是一樣，不同的視角會有不同譜線寬度的類星體，當從正上方，沿著噴流方向看到的是蠍虎BL〔型〕類星體。活躍星系核困擾了天文學家數十年，至今總算有個一統江湖的理論模型，隨著更多的觀測資料出現，這方面的研究仍持續進行當中。