高能天体物理的符号·星系级天体部分

伤我心太深

说过著名的高能恒星级天体，该说说星系级的了。星系级的高能符号往往与活动星系脱离不开干系。在这样的星系里，中央的特大质量黑洞对天体的活动性有着至关重要的影响，还塑造着我们所见的特征。
既然如此，正文之前先说一说活动星系的问题好了。在观测上，这类星系的共同特征是存在不能直接用恒星辐射来解释的核区活动，又可以进一步分为Seyfert星系、类星体、射电星系和耀变体等几大类，各类的细节等待今后有机会再专门撰文介绍。所有这些类别现在都可以用活动星系核的统一模型来解释：特大质量黑洞+吸积盘+喷流。依照黑洞本身活动性以及观测者视线方向的不同，可以看到不同的形态特征。
更具体地说，很多高能活动星系都属于耀变体之列。耀变体是个什么东西？这类早年被误认为是变星的天体具有快速光变（在短于一天的时标内变化0.1等以上）以及光学辐射高度偏振（百分之几，相对大多数活动星系不到1%的偏振度）的特性。按照活动星系核统一模型，其实它们就是喷流正对地球的活动星系，这样地球上的观测者几乎就是径直朝喷流底部看去。根据光谱，耀变体又可以分成拥有强发射线的OVV（光学剧变）以及几乎无谱线的蝎虎座BL天体两种；从物理上看，前者对应于活动强烈的射电星系，后者则是活动较弱的射电星系。

活动星系的视角与所见现象的关系，其中最上方对应II型Seyfert星系，中间是I型Seyfert星系或者类星体，最下方的一种为耀变体的情况。（图片来源：Wikipedia）

马卡良421与501
马卡良421与501就是高能活动星系的典型了，同时还都是少有的TeV耀变体。先说马卡良421。这个距离地球3.6亿光年、的蝎虎座BL天体亮度在13.3等上下，对于活动星系来说已经是相当明亮了，连业余爱好者都可以用自己的小型望远镜看到它（虽说所见只是一个光点而已），因此相关的研究几乎就没有缺乏的理由。实际上，自从20世纪90年代初康普顿伽玛射线天文台的初探测之后，很多高能观测设备都会以此为目标小试牛刀。至于同样是蝎虎座BL天体的马卡良501，则距离稍微远一些，亮度也稍暗一些。

爱好者拍摄的马卡良421（图中十字所指）。（图片拍摄：Michael Oates）

在高能天空中，马卡良421与501流量当然都是最明亮的天体，而且是光变最为迅速的辐射源——它们在宁静期的流量大概是蟹状星云的百分之几十，耀发期间会更高。而且由于其距离比较近，高能辐射受宇宙背景的干扰小，是研究活动星系的绝好样本。
前面有关宇宙红外背景辐射的文章中给出过马卡良421与501从射电到TeV伽玛射线的全波段光谱，可见明显分为两部分。图中的高能区几乎就是低能的平移，不论是在平时还是耀发期间。这样的事实以及光变的相关性有力地支持了高能辐射的逆康普顿散射起源说——那低能部分就是高能的种子光子了。这也是目前对耀变体辐射机制最为流行的解释。

马卡良501的TeV图象（图片来源：Atkins et al. 2009）

但需要注意的是，在费米望远镜发射之前，人们对TeV耀变体的认识还存在缺环——这里主要指的是GeV能段。虽然这些天体最初确实是由康普顿的EGRET在该能段上发现的，当年信号的置信度却都不高，尤其是在流量较低的宁静期。这样的缺环为理论留出了很大的发挥余地，比如关于宁静期的辐射成分，低能背景辐射的干扰等问题都存在不同说法。灵敏度空前的费米升空一年多之后，新的数据已经对理论提出了一些限制，如这两个星系的高能部分都可以归结为电子的同步自康普顿散射；至于相对伽玛射线较大的X射线光变，则可以认为是高能粒子注入的结果。
两个马卡良星系之外的TeV耀变体还有PKS 2155-304、1ES1959+650、1ES 2344+514等等，名气没有那么响而已。不过不论如何，能有如此全面辐射的源都实在罕见。那么导致如此活动性的原因又是什么？至少人们已经找到了与马卡良421发生相互作用的星系，它为马卡良421的黑洞提供了大量的气体补给。
顺便说说这个马卡良星表。这是亚美尼亚天文学家Benjamin Jegischewitsch Markarjan根据高紫外辐射的标准编纂的光学亮致密源表，其中有相当一部分成员是活动星系，不过也有一少部分是被误认的银河系内热星，剩下的一多半则是偏蓝的星系（如星暴星系）。

3C 273与3C表
如其名所示，3C 273最初是第三次剑桥射电巡天作为射电源发现的。论名气，3C 273要比马卡良421与501响得多：20世纪60年代，它是第一个被确认的类星体；70年代，它又成了第一个被探测到的河外X射线源，因此在当代天体物理发展史上具有重要的意义。

3C 273与喷流。（图片提供：KPNO）

与前面所介绍的两个马卡良星系类似，3C 273同样具有与同类相比极其明亮的外观，通常高达12.8的视星等创下了所有类星体的亮度记录（只有马卡良421在一次耀发中亮度超过了此值，但3C 273的），也让其同样可以作为后院爱好者的目标。除了本体，在高精度的图象中，3C 273在所有类星体中最为明亮的斑块状喷流也是突出特征之一。

3C 273的喷流，蓝色为X射线数据，绿色表示光学数据，红色表示射电数据。下方给出了不同模型对辐射来源的解释。（图片来源：Jester et al. 2006）

考虑3C 273二十亿光年的距离，12.8等又意味着什么？如果将其换算成绝对星等，它的亮度相当于太阳的数万亿倍，或者说是整个银河系的上百倍是与太阳的视星等相当的。高光度与宇宙学距离一度困惑了许多研究者，非宇宙学红移的猜测流行一时，好在最终类星体宿主星系的发现基本平息了相关的争执。
不过3C 273一类天体的辐射机制，争议还是颇大的。从射电到可见光还好说，考虑彼此相似的偏振特性，基本可以归结为喷流的同步辐射起源；X射线往上是个麻烦，无论是单纯的同步辐射还是自康普顿散射都难以全面解释。可能的模型包括微波背景辐射受到的相对论性增强的散射，以及异于传统的同步辐射相关过程，如考虑了散射的Klein-Nishina截断，或者是湍流的加速。
除了3C 273，3C星表里还有两个比较明亮的高能类星体——3C 279和3C454.3。它们都是伽玛射线天空中最为明亮的目标。虽然3C 273在X射线波段颇为明亮，在能量更高的伽玛射线能段上，却拼不过这两个同类了。

EGRET眼中的3C 279，3C 273在图片中央偏右上方处隐约可见。（图片提供：EGRET team, Compton Observatory, NASA）

银心
另一个高能符号就处在我们的后院：银河系中心。依银心特大质量黑洞的活动性，银河系也实在算不上是正统的活动星系。论物质消耗，一般的活动星系每年大约要吞掉几倍或几十倍于太阳质量的物质，而银心的消耗量根据近年的测量只有地球质量的百分之一；论质量，银心黑洞只是太阳的400余万倍，而典型活动星系的黑洞可以千百倍于此甚至更多。

银心的X射线图象（图片提供：NASA/CXC/UMass/D. Wang et al.）

不过银心区域的高能辐射来源有些复杂，不能仅仅归结为黑洞。弥漫的X射线辉光是大质量恒星加热；无数的X射线点源是致密星的吸积；银心所处的超新星遗迹（约形成于一万年之前）也是发出TeV极高能光子的带电粒子（质子而非电子）天然的加速器；铝26同位素的衰变带来了1.8086 MeV的谱线，正反电子湮灭则是511 keV谱线的来源；更超乎常规的猜想还有正反物质湮灭……沾了距离近的光，人们得以仔细探查每一种辐射在银心中的分布，而在河外星系中是很难做到这一点的。
前面几种产生高能辐射的渠道都不稀奇，说说这两条谱线的问题好了。早在1972年，就有人报告了511 keV湮灭线在银心存在的迹象。这种辐射以银心为中心，大致呈球状分布，流量大概是每平方厘米每秒0.001个光子左右。它连带1.8086 MeV衰变线应该算是伽玛射线天文学中最重要的特征线了，一般与剧烈的天体活动相伴。铝26同位素与核心坍缩型超新星的爆发相伴，是星系核合成史的重要示踪同位素。它的半衰期是105万年，衰变后可以转化为镁26。这种衰变过程在大多数情况下会释放出一个正电子，正电子与周围环境中的电子相遇并湮灭，产物就是511 keV的湮灭线了。不过在观测到的511 keV总辐射强度中，来自铝26衰变的只占很小一部分。另几条产生正电子的途径是宇宙线与星际介质的作用、高能光子湮灭、强磁场和电子的相互作用等等，湮灭线的光变还可以通过黑洞吸积流的变化来解释。

全天的511 keV正负电子湮灭线的分布，可见以银心为中心。（图片来源：Weidenspointner et al. 2006）