類星體的發(fā)現得益于二十世紀六十年代射電天文學的發(fā)展。在此之前，人們無法區(qū)分恒星和類星體。截止1959年，劍橋射電天文研究組已經發(fā)表了3個射電源星表。天文學家準備確定這些射電源的精確位置，首先對射電源3C 273展開了詳細研究，發(fā)現它在可見光波段類似恒星，在射電波段輻射較強。
圖1. 類星體3C 273的圖像（圖源：網絡）
1963年，旅美荷蘭天文學家Maarten Schmidt對3C 273進行了光譜觀測，發(fā)現其具有寬發(fā)射線和吸收線，其中的發(fā)射線其實就是位置向紅端移動的氫原子的巴爾末線系，通過與靜止系中的巴爾末線系比較，他最終定出了發(fā)射線的紅移。因此3C 273是第一顆被光譜證認的類星體，Maarten Schmidt也由此被稱為發(fā)現類星體的第一人，從此拉開了發(fā)現類星體的序幕。
類星體最早命名為“quasi-stellar radio sources”，簡寫為QSO。Hong-Yi Chiu 于1964年將其改為“quasars”，即類星體。直到1970年，類星體這個名稱才被大家廣泛接受。
類星體的光度是星系的50到100倍，具有太陽光度的恒星的1000億倍，因此稱為宇宙中最亮的天體。類星體與脈沖星、宇宙背景輻射和星際有機分子被譽為20世紀60年代四大天文發(fā)現。它們的發(fā)現翻開了天文學研究的新篇章。
圖2. 類星體3C 273的光譜 （圖源：網絡）
按照活動星系核統(tǒng)一模型（見圖3），類星體是活動星系核的一種，中心被質量為太陽質量數百萬到數十億倍的超大質量黑洞主導，黑洞被一個氣體吸積盤包圍。當中心黑洞從吸積盤中吸積物質時，能量以電磁輻射的形式釋放出來，電磁輻射覆蓋整個電磁波段。類星體輻射的能量是巨大的；最亮的類星體的光度是像銀河系樣的星系的數千倍。類星體的紅移很大，紅移反映了退行，因此類星體的紅移是宇宙起源的。
圖3. 活動星系核統(tǒng)一模型 （圖源：網絡）
類星體具有如下特征
1
活動星系核的一種
2
中心黑洞主導
3
高紅移（0.1-7）
4
高光度（1042-1048erg/s）
5
光變，時標從天到年
6
全電磁波段發(fā)射
7
具有明亮的致密核區(qū)，圖像呈點源
8
光譜具有強而寬的發(fā)射線
9
具有非熱輻射連續(xù)譜，連續(xù)譜呈幕律形式
類星體在現代天文學研究中具有重要的研究價值。通過研究類星體可以研究吸積盤、黑洞的形成和演化、黑洞自旋、雙黑洞、黑洞與寄主星系的關系、Kα譜線輪廓等；類星體的吸收線可以作為研究不同紅移處的星際及星系際介質的探針；大樣本的類星體可以研究宇宙大尺度結構、重子聲學震蕩；高紅移類星體有助于研究宇宙早期的形成和演化，宇宙早期再電離，星系的形成與演化等。
另外，由于射電強的類星體位置的精準性，可以作為天體測量的參考架，這對于發(fā)展空間天文和深空探測等都具有重要的應用價值。
圖4. 700個類星體在靜止坐標系下的平均光譜 （圖源：網絡）
隨著大型觀測儀器的投入和使用，為了提升儀器的觀測效率，天文學家優(yōu)化了輸入星表。目前預選類星體候選體的方法林林總總，有多色截斷方法、紫外超、紅外超、自行、射電和X射線波段搜尋、光變、機器學習方法等。
人類在類星體的發(fā)現方面取得了驕人的成績，如：帕洛馬-格林亮類星體巡天（The Palomar-Green Bright Quasar Survey，簡稱BQS)發(fā)現了一百多顆，大型亮類星體巡天（the Large Bright Quasar Survey，簡稱LBQS)發(fā)現了一千多顆，兩度視場類星體紅移巡天（2-degree Field (2dF) QSO Redshift Survey，簡稱2QZ) 發(fā)現了兩萬三千多顆，中國的郭守敬望遠鏡（英文the Large Sky Area Multi-object Fiber Spectroscopic Telescope，縮寫為LAMOST）DR5發(fā)現了約兩萬顆，美國的斯隆數字巡天（the Sloan Digital Sky Survey，簡稱SDSS）DR16發(fā)現了750 414顆。
紅外探測器的發(fā)展促進了高紅移類星體的發(fā)現。目前發(fā)現的最遙遠的類星體紅移7.085(Mortlock, D. J.; et al. 2011,Nature)。盡管類星體是在射電波段發(fā)現的，但是90%的類星體是射電寧靜的，只有10%是射電強的。
既然類星體已經發(fā)現了這么多顆，是否已經足夠？實際上，盡管數量上看起來不少，但是類星體樣本大部分集中在低紅移，高紅移樣本大大缺乏。紅移越高，類星體越暗。在探測器超出星系探測極限時，一些遙遠的類星體仍然可以探測到。暗弱的類星體有利于研究本宇宙之外的黑洞與寄主星系關系、黑洞與核球共動演化等。所以我們有必要進一步提高類星體的發(fā)現效率，尤其高紅移類星體。
綜上所述，可見類星體發(fā)現的數量增加遵循摩爾規(guī)律。下一代的望遠鏡將促進類星體數量以千倍的量級增長，如eROSITA和WFXT (a Wide-Field X-ray instrument)。隨著類星體觀測數量的增多，尤其高紅移類星體樣本的增加，我們在對宇宙的整體理解上將更上一個新臺階。
作者 · 簡介
張彥霞：中國科學院國家天文臺研究員、首屆國際天文統(tǒng)計學會會士、現任北京天文學會第十六屆理事會監(jiān)事、國際天文聯(lián)合會B3委員會“天文信息與天文統(tǒng)計”專委會組織委員會委員、國際雜志Frontiers in Astronomy and Space Sciences副編輯。主要從事天文信息與天文統(tǒng)計、天文大數據、機器學習在天文學中的應用等方面的研究。
