耀變體

NASA通過寬頻紅外探測儀（WISE）收集到超過200多個耀變體的信息，這些資料有助於黑洞的研究。天文學家們對此興奮異常，對該項研究的潛力有着樂觀的積極性。

耀變體是宇宙中最活躍的天體現象。巨型星系中間的黑洞吞噬者周圍的物質，因此而產生耀變體現象。當物質被拽向黑洞的時候，會有能量被釋放出來，其速度可以接近光速，稱之為“相對論性噴流（relativistic jets）”。耀變體的噴流特殊之處在於，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》雜誌上發表過大量論文。談及此項研究，Massaro興奮之情溢於言表“耀變體現象非常罕見，因為黑洞產生相對性噴流的時候方向是隨機的，只有很少一部分是對着地球的。我們用WISE紅外觀測另闢蹊徑，用通常用於低能輻射研究的觀測方法，來研究高能輻射的耀變體，取得了出乎意料的成果。”

該發現最終會幫助研究人員探索相對論性粒子束中的極端物理現象，以及宇宙幼齡階段，黑洞的演化過程

WISE首次運用紅外線對整個宇宙空間進行掃描是在2010年，並根據得到的數據編制了一份索引，把成千上萬的天體進行分類。這次掃描收集到的部分數據於2011年4月首次向大型天文科研機構發放，並於2012年3月發放了收集到的全部天體的數據。

Massaro和他的團隊分析了首批數據，這些數據包含了超過一半的天體，通過仔細地分析，驗證了使用WISE來識別耀變體的想法。天文學上經常通用紅外線來尋找温度較低的星體。耀變體本身有着極高的温度，並且散發γ射線。在電磁波譜中，這種γ射線攜帶的能量最高。然而，耀變體產生噴射中的粒子，會被加速到接近光速，此時會放射出不同特徵的紅外線，可以成為分辨它們的“指紋”。

通過對WISE早期數據的篩選，天文學家在超過300個未知的γ射線源中，發現了耀變體的紅外指紋。據推測，其中一半與耀變體的紅外特徵非常吻合。這項成果在揭秘未知高強度γ射線源的道路上做出了巨大貢獻，有利於我們認識天空中這些神秘的領域究竟發生了什麼。

Massaro的團隊利用WISE的圖像選出了超過50個耀變體的候選者，並且觀察了1000餘個先前發現的耀變體。Massaro表示對數據更加詳細的分析之後，很可能會發現更多。 ^[1] 

耀變體和其他活躍星系核一樣，都以物質落入位於寄主星系中央的超大質量黑洞同時產生能量作為其能量的最終產生機制。在引力的作用下，黑洞周圍的氣體、塵埃，有時還包括星體朝黑洞下落，由於具有角動量，物質形成了一個圍繞黑洞的炙熱的吸積盤，並進入黑洞。在此過程中，產生了大量的以光子、電子、正電子和其它基本粒子形態存在的能量。這個作用區域十分狹小，大約只有10秒差距大小。

此外，在黑洞周圍數個秒差距的範圍內還會形成一個龐大的不透光圓環，在這個該密度的區域內包含着炙熱的氣體。這些“雲”從更靠近黑洞的區域中吸收能量，並再次輻射出去。在地球上則可以通過耀變體電磁波譜範圍內的譜線探知這些“雲”。

與吸積盤面相垂直的則是一對從活躍星系核中噴射而出的、攜帶高能量的相對論性噴流。這對噴流受到了來自吸積盤和吸積環的強大磁場和強烈輻射風的共同作用，得以保持很好的方向性。在噴流內，高能光子和其它粒子之間相互作用，同時還與強磁場發生作用。這些相對論性噴流能夠到達黑洞之外數千秒差距的地方。

耀變體的這些區域都能產生多種可被觀測到的能量，其中大部分以非熱輻射譜的形式存在，這些輻射譜包括了從極低頻率的射電到攜帶極高能量的伽馬射線，在某些頻率上的輻射甚至被高度極化了。這些非熱輻射譜包括了從射電到X射線的同步輻射，以及從X射線到伽馬射線的康普頓散射。熱輻射譜可在紅外線區域達到峯值（其中還包括了微弱的可見光輻射），這種熱輻射譜可在光學劇變類星體中觀測到，但是很少甚至沒有在蠍虎座BL型天體中發現。

耀變體發射的可被觀測到的輻射被噴流中的狹義相對論效應所增強了，這個過程被稱為相對論性束射。組成噴流的等離子體的速度能達到光速的95%-99%。(這並非典型的電子或質子的真實速度，但是由於單個粒子的運動方向不同，結果造成了等離子體的真實速度較低。)

處於靜止參考系中的噴流所產生的光亮亮度與從地球上觀測到的光亮亮度取決於噴流的特性——即光亮是由於衝擊波還是噴流中的亮點所產生，抑或是噴流中的磁場與運動的粒子相互作用所產生的。

關於束射的簡單模型揭示了基本相對論效應與處於靜止參考系中的噴流所產生的光亮亮度S_e以及從地球上觀測的亮度S_o的關係，這其中還需引進天體物理學中的一個要素——即多普勒因子D。在這裏，S_o與S_e×D成比例。

下面列出了更多的細節，其中包括多種相對論效應：

示例

如果噴流和地球觀察者的視線存在着5度的交角(θ)，且噴流的速度達到了光速的99.9%，那麼地球觀察者所觀測到的亮度將會是發射亮度的70倍。如果交角(θ)達到了最小值即0度，那麼從地球上觀測到的亮度則會是發射亮度的600倍。

相對論性束射同時還會產生另外一個重要結果。基於相同的相對論效應，反地球方向的那個噴流的光亮將會變得昏暗朦朧。所以一對兩個完全相同的噴流看起來將會極不對稱。這在上面的示例中就可得到證明，即交角(θ)大於35度的噴流，從地球上觀測到的亮度將會小於處於靜止參考系中的噴流實際的發射亮度。

此外，相對論性束射還有一個後果，即活躍星系核以隨機噴射方向向四面八方噴射的、實際上均勻分佈的物質，在地球上觀測則會認為其分佈是不均勻的。少部分交角較小的噴流會非常明亮，而其他的則顯得闇弱得多。交角若不為90度，在觀測中則必然會發現兩個噴流的不對稱現象。

這就是耀變體與射電羣之間的本質聯繫。即使是兩個本質上相同的活躍星系核，如果其中一個的噴流噴射方向接近於地球觀察者的視線，另外一個又非如此，則觀測結果則會大有不同。

許多明亮的耀變體最初都被鑑定歸類為銀河系中的不規則變星，而非耀眼的遙遠星系。這些耀變體和真正的不規則變星類似，都會在以年計或以天計的時間裏發生亮度的變化，但是這種變化並沒有固定的模式。

在射電天文學發展之伊始，即在天空中發現了眾多的明亮的射電源。到20世紀50年代末射電望遠鏡得到改善、其能夠有效地將個別射電源與其他可見光源區別開來之後，科學家發現了類星體。耀變體即這些早期發現的類星體中的典型代表，而首個被發現的紅移星體——3C 273即是一個屬於耀變體的高變類星體。

使用哈勃太空望遠鏡的先進巡天照相機拍攝的3C 273。

1968年再次發現了“變星”蠍虎BL與一個強烈射電源VRO 42.22.01之間的類似聯繫。蠍虎BL表現出許多類星體的特徵，但是其光譜中卻缺少用於確定紅移的譜線。1974年，又發現了蠍虎BL可能是河外星系的微弱跡象，這可以證明蠍虎BL不是一顆恆星。

蠍虎BL是河外星系的真相併不出人意料。1972年，綜合可變光和射電源等現象，科學家提議設立一個新的星系類型——蠍虎座BL型天體（BL Lacertae-type objects）。後來這個名稱被縮短為"BL Lac object"或"BL Lac"。（注意後一個簡稱亦被用於指稱首個被發現的蠍虎座BL型天體，而非整個類型。）

至2003年，已有數百個蠍虎座BL型天體被發現。 ^[2] 

耀變體被認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徵：如被觀測到的高亮度、高變性、高極化性（與非耀變體類星體比較）和在大多數耀變體附近數個秒差距範圍內都可觀測到的超光速運動現象。

一個關於耀變體的統一模型正被越來越廣泛的接受了，即高變類星體與較強的電波星系有關；而蠍虎座BL型天體則與較弱的電波星系有關。兩類星體間的差別體現了耀變體輻射量丰度上的差別。

對相對論性噴流和統一模型進行解釋的其他理論則涉及到了引力透鏡效應和相對論性噴流的連續噴射理論。這些理論都無法全面的解釋耀變體的全部特徵。如引力透鏡效應即具有消色性，能夠將光譜的所有部分都進行提升和降低；很明顯，這種現象沒有在耀變體中發現。不過這些理論以及更多的複雜等離子物理學理論可能能夠解釋一些特別現象和細節。 ^[1] 

典型的耀變體包括：3C 454.3、3C 273、3C 279、蠍虎BL、PKS 2155-304、Markarian 421和Markarian 501。後兩者由於其攜帶及高能量（達到了萬億電子伏特級別）的伽馬射線而被稱為“TeV型耀變體”。