类星体：遥远宇宙的灯塔

哈勃太空望远镜的WFPC2相机捕捉到的类星体3C 273 — **哈勃太空望远镜**的WFPC2相机捕捉到的**类星体3C 273**图像，是现有最好的图像之一。它位于室女座的一个巨型椭圆星系中，其光传播了大约22亿年才到达我们这里。它于1963年由马尔滕·施密特首次确认，至今仍是最接近、最明亮的已知类星体之一。图像中的模糊斑点是星系。
图片来源：ESA/Hubble and NASA （新窗口）。

科学摘要

类星体是遥远星系中极其明亮的核，由物质吸积到超大质量黑洞上驱动。其典型光度达到10³⁹至10⁴¹瓦（对于最极端的类星体，可达太阳的约10¹⁴倍），源于引力能向辐射的转换，由E=ηmc²描述（其中η是转换效率，根据黑洞自旋不同，约在0.06至0.4之间）。在高红移（z>7）处观测到的一些类星体，包括2026年由欧几里得空间望远镜发现的当前距离记录保持者，是研究原始宇宙和宇宙再电离的独特探针。它们代表了星系演化中的一个过渡阶段，与其中心黑洞的共同演化有关。

什么是类星体，它如何成为理解宇宙早期时代的宇宙灯塔？

类星体既不是恒星也不是星系，而是星系核心的极端活动现象。其引擎是一个超大质量黑洞（数百万至数百亿太阳质量），吞噬着周围的物质。这种吸积过程会产生炽热的气体盘和粒子喷流，释放出惊人的能量，最亮的类星体可达10⁴¹瓦，超过数万个星系的光度总和。文章解释说，这些在超过120亿光年距离外观测到的天体，充当着时间信标。它们的光在宇宙年龄仅为当前一小部分时发出，使科学家能够探测遥远的时代，例如宇宙再电离时期，即宇宙从中性状态转变为电离状态的时期。通过研究它们的光谱和红移，我们可以追溯宇宙结构形成的历史。

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类星体的发现与威力

类星体（"类恒星射电源"的缩写）是已知宇宙中最明亮、能量最高的天体之一。 1963年由马尔滕·施密特（1929-2022）发现，他识别出类星体3C 273的极端红移。它们发出的辐射可与数万个整个星系的光相媲美。其威力源于活动星系中心超大质量黑洞对物质的吸积 (吸积：大质量天体在引力作用下吸引物质的过程)。

类星体的物理本质

类星体既不是简单的黑洞，也不是星系。它是星系核的一种活动状态，而不是一种孤立的天体类型。类星体指的是在一些星系中心观测到的极端活动现象，而不是物质天体本身。

物理结论

黑洞是能量引擎，类星体是该引擎产生的可观测现象，而宿主星系是包含整个系统的引力框架。

光度与能量

类星体的总光度通常在 \( 10^{39} \) 到 \( 10^{41}\ \mathrm{W} \) 之间，即太阳光度的 \(10^{12}\) 到 \(10^{14}\) 倍。迄今为止已知最亮的类星体SDSS J0100+2802 (z = 6.30)，达到约 \(3 \times 10^{41}\) W，即太阳光度的 \(4.3 \times 10^{14}\) 倍——相当于银河系4000亿颗恒星总亮度的40,000倍。如此巨大的能量只能来自高效的引力机制。质量向能量的转换遵循相对论方程 \(\,E = \eta m c^2\,\), 其中 \(\eta\) 代表相对论吸积盘的转换效率：对于非旋转的史瓦西黑洞约为0.06，对于接近最大旋转的克尔黑洞则高达0.4。

注:
活动星系拥有极其明亮的核，由气体吸积 (吸积：物质的引力吸引)到超大质量黑洞上提供能量。这种能量约为 \(10^{39}\) 到 \(10^{41}\ \mathrm{W}\)，由 \(\,E = \eta m c^2\,\) 描述，使AGN (活动星系核)成为可观测宇宙中最强大的连续能源。

极远的距离和强烈的红移

类星体位于相当遥远的宇宙学距离，有时超过130亿光年。它们的光谱表现出强烈的红移 (光谱向红端移动，宇宙退行速度的指示器)（最远的已知类星体 \(z>7\)），表明其发射发生在宇宙年龄仅为当前的5%至10%的时候。

再电离的时间信标

这些测量使天体物理学家能够研究宇宙再电离时代，即宇宙从中性状态转变为电离状态的时期。类星体通过照亮星系际介质，成为宇宙结构形成的真正时间信标。

类星体的红移与距离

类星体的活跃寿命（约数百万年到数千万年）与光到达我们所需的时间（类星体3C 273为22亿年）无关。无论类星体今天是否仍然活跃，还是早已熄灭，我们接收到的光确实已经传播了数十亿年。

类星体红移及相关距离示例
类星体	红移 (z)	近似距离 (十亿光年)	注释
3C 273	0.158	2.2	第一个被确认的类星体（1963年），相对较近，被广泛研究
PG 1302-102	0.278	3.5	超大质量黑洞双星候选体，5.2年光学周期性变光，解释仍有争议
Q0957+561（"双类星体"）	1.41	8.7	第一个被识别的引力透镜系统（1979年），由z=0.36的 intervening galaxy 产生的双重像
QSO B1422+231	3.62	11.6	引力透镜产生的四重像类星体，用于探测透镜星系
APM 08279+5255	3.91	12.1	已知的本征最亮天体之一，被引力透镜强烈放大（因子≈100）
SDSS J1044-0125	5.74	12.7	宽吸收线（BAL）类星体，z>5的已知最早类星体之一
SDSS J0100+2802	6.30	12.8	迄今为止已知最亮的类星体，拥有120亿太阳质量的黑洞
ULAS J1120+0641	7.085	12.9	宇宙再电离时代；2011年的距离记录保持者，现已被超越（见下一章）

吸积与相对论性喷流的物理

在中心黑洞周围，物质形成一个快速旋转的盘。内部摩擦力将引力势能转换为电磁辐射。

强磁场将部分能量以相对论性喷流的形式导出，能够将粒子加速到接近光速 \(c\) 的速度。这些喷流，特别是由VLBA (甚长基线阵列)射电天线网络观测到的，构成了活动星系核（AGN）的主要特征。

类星体与星系演化

星系演化的过渡阶段

观测表明，大多数大质量星系中心都拥有一个超大质量黑洞。类星体可能代表了星系演化的一个过渡阶段：当气体流入引发快速吸积时，核心变得耀眼。一旦物质储备耗尽，星系稳定下来，类星体便熄灭。

黑洞 – 星系核球共同演化

观测到的黑洞质量 (\(M_{\mathrm{BH}}\)) 与星系核球质量 (\(M_{\mathrm{bulge}}\)) 之间的相关性表明存在由能量反馈过程控制的共同演化。根据近邻星系样本建立的经验关系给出的斜率约为： \( M_{\mathrm{BH}} \propto M_{\mathrm{bulge}}^{1.1} \) （Kormendy & Ho, 2013），但根据宿主星系类型的不同，存在显著的固有弥散。

2026年的距离记录：有史以来观测到的最古老的类星体

自2010年代以来的连续记录

随着大型巡天探测越来越高的红移，类星体的距离记录自2010年代以来已被多次打破：ULAS J1120+0641 (z = 7.085，2011年发现)，然后是ULAS J1342+0928 (z = 7.54，2017年发现)，再是J0313-1806 (z = 7.642，2021年发现)。

欧几里得在2026年7月的发现

2026年7月6日，欧洲空间局（ESA）的欧几里得空间望远镜宣布发现了31个位于z=6.6至z=7.8之间的新类星体，其中包括两个新的距离记录保持者：EUCL J172902.75+641018.1 (z ≈ 7.77) 和 EUCL J125308.55+705432.3 (z ≈ 7.69)。它们的光是在大爆炸后仅6.7亿年发出的，约为当前宇宙年龄的5%。这项仅使用了六年任务计划数据的一小部分进行的巡天，将z>7的已确认类星体数量从9个增加到23个，翻了一倍多。

测量注意事项

注: 在这些极端距离上的红移测量存在不确定性范围，随着新的光谱观测细化初始值，距离记录在过去已被多次修正。

超大质量黑洞快速增长的挑战

宇宙学悖论

这些极其遥远的类星体的存在本身提出了一个重大的物理问题：数亿甚至数十亿太阳质量的黑洞（J0313-1806的黑洞约为16亿太阳质量）如何在不到7亿年的时间内形成并成长？

两种主要情景

为了解释这种快速增长，主要研究两大类假说：中等质量（约100太阳质量）黑洞"种子"，源于最早的大质量恒星（所谓的第三星族）的坍缩，然后以接近或超过爱丁顿极限的速率吸积物质；或者从一开始就更大质量的种子（\(10^4\) 到 \(10^5\) 太阳质量），源于稠密气体云的直接坍缩，而不经过中间的恒星阶段。关于主导机制尚未达成共识，欧几里得和詹姆斯·韦伯空间望远镜的未来数据有望完善这些模型。

比较表：类星体与其他活动核

主要活动星系核类型比较
天体类型	典型光度 (W)	观测距离	主导特征
类星体	10³⁹ 至 10⁴¹	>10亿光年	全光谱非常明亮，高红移，强大的相对论性喷流，早期星系形成阶段的见证者
耀变体	10³⁸ 至 10⁴⁰	可达50亿光年	相对论性喷流指向地球，快速变化，强烈的伽马射线和X射线辐射
西佛星系	10³⁶ 至 10³⁸	<2亿光年	明显的光学和紫外发射线，适度的活动核，可见的宿主恒星
射电星系	10³⁷ 至 10⁴⁰	数亿至数十亿光年	射电辐射主导，延伸数百kpc的 lobes，相对论性喷流，常被遮蔽的核
LINER（低电离核发射线区）	10³⁵ 至 10³⁷	通常 <1亿光年	低电离，适度的核辐射，常出现在椭圆星系或成熟的旋涡星系中
遮蔽型AGN / 2型	10³⁶ 至 10³⁹	因星系而异	中心辐射被尘埃环阻挡，隐藏的核，主要在红外和X射线波段观测到辐射

参考文献

Schmidt, M. (1963). 3C 273: A Star-Like Object with Large Red-Shift. Nature, 197, 1040. doi:10.1038/1971040a0 （新窗口）
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Bañados, E., Venemans, B.P., Mazzucchelli, C. et al. (2018). An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5. Nature, 553, 473–476. doi:10.1038/nature25180 （新窗口）
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Kormendy, J. & Ho, L.C. (2013). Coevolution (Or Not) of Supermassive Black Holes and Host Galaxies. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 51, 511–653. doi:10.1146/annurev-astro-082708-101811 （新窗口）
NASA ADS Astrophysics Data System （新窗口）
欧洲南方天文台（ESO）（新窗口）.

FAQ：关于类星体——遥远宇宙的灯塔，你需要知道的一切

类星体巨大能量的来源是什么？

类星体的能量来自于物质向超大质量黑洞的吸积。落入黑洞的物质形成一个被加热到极高温度的吸积盘。引力势能向辐射的转换非常高效，遵循公式E = ηmc²（η为效率，非旋转黑洞约为0.06，快速旋转黑洞约为0.4），这解释了为什么像SDSS J0100+2802这样最极端的类星体，其光度可以达到太阳的10¹⁴倍。

为什么类星体对于研究原始宇宙如此重要？

它们的极端亮度使其在超过130亿光年的遥远宇宙学距离上可见。它们的光带有强烈的红移（z>7），来自宇宙非常年轻的时代（最远的已知类星体，其光来自宇宙年龄不到当前的5%）。它们被用作探针来研究宇宙再电离等关键时期，通过照亮星系际介质并揭示其组成和演化。

目前已知最远的类星体是什么？

自2026年7月起，已知最远的两个类星体是由欧几里得空间望远镜发现的EUCL J172902.75+641018.1 (z ≈ 7.77) 和 EUCL J125308.55+705432.3 (z ≈ 7.69)。它们的光是在大爆炸后约6.7亿年发出的。它们取代了J0313-1806 (z = 7.642，自2021年起的记录)，在此之前是ULAS J1342+0928 (2017年) 和ULAS J1120+0641 (2011年，第一个已知z > 7的类星体)。

类星体、黑洞和宿主星系之间的关系是什么？

这种关系是一个功能层级：超大质量黑洞是中心的引擎；类星体是该引擎活动产生的可观测现象（强烈的辐射）；而宿主星系是包含一切的引力框架。类星体代表了星系生命中的过渡阶段，在气体流入时被激活，在储备耗尽时熄灭。

在年轻的宇宙中，超大质量黑洞是如何如此快速成长的？

这是当前天体物理学中最大的未解问题之一。最遥远的类星体在宇宙年龄不到7亿年时，已经拥有数亿至数十亿太阳质量的黑洞。主要研究两种情景：源于第一批恒星的、质量适中的"种子"以极端速率吸积；或者源于气体云直接坍缩的、从一开始就大质量的种子。这两种情景都尚未达成共识。

类星体与其他活动星系核（AGN）有何不同？

虽然都是AGN，但类星体是最明亮（10³⁹～10⁴¹ W）和最遥远的，拥有强大的相对论性喷流。耀变体是其喷流指向地球的类星体。西佛星系较暗且较近，具有适度的活动核。射电星系主要在射电波段辐射，而LINER具有微弱的核辐射。