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物理高一必修二天体知识点物理高一必修二天体知识点主要包括有关天体的基本概念、行星运动和引力定律等内容。
以下将对这些知识点进行详细介绍。
一、基本概念1. 天体：指存在于宇宙中的各种天体，如恒星、行星、卫星等。
2. 星系：由大量星体组成的天体系统，如银河系、仙女座星系等。
3. 宇宙：包括了所有存在的空间、时间和能量。
宇宙是无限的。
二、行星运动1. 行星运动：行星绕太阳运动的轨迹被称为椭圆轨道。
这种运动被称为行星公转。
2. 椭圆轨道：椭圆轨道由近日点和远日点组成。
近日点是离太阳最近的点，远日点是离太阳最远的点。
3. 开普勒三定律：开普勒通过实验和观察总结出了行星运动的三个定律：- 第一定律：行星运动轨道为椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。
- 第二定律：相同时间内，行星在椭圆轨道上扫过的面积相等。
- 第三定律：行星公转周期的平方与平均距离的立方成正比。
三、引力定律1. 引力：物体之间的吸引力称为引力。
引力是一种万有力，适用于所有物体之间的相互作用。
2. 引力定律：牛顿通过实验得出了引力定律，即任何两个物体之间的引力与它们质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比。
3. 地球上的重力：地球对物体的吸引力即为重力，重力的大小取决于物体的质量和离地球的距离。
四、天体的性质1. 恒星：恒星是由巨大的氢气球体中心核聚变产生的能量而发光的天体。
恒星通过核融合反应将氢转变为氦，并释放大量能量。
2. 卫星：绕行行星或恒星的天体称为卫星。
例如，地球的卫星是月球。
3. 小行星：太阳系中绕太阳运行，没有清理出来的一些天体，它们的体积较小，不具备行星特征。
它们主要存在于小行星带中。
总结：物理高一必修二天体知识点主要包括天体的基本概念、行星运动和引力定律等内容。
掌握这些知识对于理解宇宙的奥秘和天体运动有着重要的意义。
通过学习天体知识，我们可以更好地理解地球的运动、星体的特性以及宇宙的起源和演化。
§1. 类星体与活动星系核§1.1 活动星系核的分类活动星系(active galaxy)是一类特殊的星系, 其上存在着猛烈的活动现象或剧烈的物理过程，如超过恒星内部核反应的产能，相对论性高能粒子的产生，非热辐射，高能X 和γ射线，物质的喷射和爆发现象等。
但是，活动星系上的这些现象和过程主要发生在星系的核心，或者是从核心引发出来。
活动星系的核心即为活动星系核(active galactic nuclei, 简称AGN)。
在现代一般的文献中，除非特别指明，并不严格地区分活动星系和活动星系核，两者都用AGN 表示。
严格地定义活动星系核是很难的，至今没有一个统一的量化标准。
通常是根据活动星系核的主要观测特征来判断。
AGN 的观测特征主要有：(1) 明亮的致密核区。
有些AGN ，如类星体，只能观测到致密核区，其巨大的辐射光芒掩盖了星系的其余部分；有些AGN ，虽然可观测到星系，但致密核区的辐射占了星系总辐射的相当大的部分。
AGN 的光度在1043 ～ 1048 erg s -1,比正常星系高得多。
但尺度很小，一般认为，小于0.1 pc.(2) 在某些波段，如射电、光学、X 射线等，存在非热致连续辐射。
此时，谱呈幂律形式：νF ∝αν−，且辐射是偏振的。
或者，在某些波段的辐射是热致的，或以热辐射为主，但热辐射并不起源于恒星。
(3) 存在强的原子和离子发射线。
(4) 连续辐射的强度，发射线的强度和轮廓，偏振等可能随时变化。
(5) 具有比正常星系更强的发射高能光子（X 和γ射线）的能力。
具有以上全部或部分特征的称为活动星系核。
有些天体，如类星体，具有以上全部特征，是活动性最强的AGN 。
有些天体，只具有部分特征，如蝎虎天体，也是典型的AGN 。
有些星系，如银河系，中心有星系核，可能满足上面的(2)～(5)，但核的辐射功率小，与整个星系的辐射相比微不足道，这种星系核不称为活动星系核。
活动星系核包含很多品种。
活动星系核（AGN）统一模型简述天体物理系PB04203071 汪洋活动星系核是近来天体物理学中非常活跃的研究领域。
因为活动星系核涉及到天体物理中的最基本的问题，他在能量产生、辐射机制和宇宙论这些基本问题中占有关键的地位。
通过对活动星系核的研究，能够验证一些在实验室条件下无法产生的物理过程，验证一些重要的物理规律。
活动星系核的研究主要是源于对于特殊星系得研究。
与普通星系相比，特殊星系表现出不同寻常的特殊性质：包括形态上有致密的核区；核区有很高的光度，有强射电、红外和X 光辐射，且光度变化快，有较强的偏振；它们的光谱中会都有较宽的发射线，以及在通常情况下很难出现的高激发、高电离的禁线；在动力学特征上，特殊星系中在核区周围可以观察到高速的、非圆周运动的天体。
可以看到，特殊星系得特殊性主要的就集中在它的核区上。
由于观测到的特殊星系有很多不同的形态（正是因为他们不同于通常星系，无法划分类别，才将其归于特殊星系中），所以各种活动星系核之间有很大的差别。
也正因为如此，对这些星系核的分类以及建立模型是非常重要的。
最理想的情况是，用一个模型就能个解释所有的这些现象，这样显然就会对研究产生极大的帮助。
而且统一的模型也符合物理规律的“简单，普遍”的性质。
而直到目前的研究，有一种理论能够很好的解释AGN的很多性状，这就是黑洞吸积盘的模型。
这个模型也迄今为止被认为是比较完美的一个模型。
这个理论的基本思想使：在这些活动星系核的中心有一个巨大的黑洞，在黑洞周围围绕着星际尘埃形成巨大的吸积盘。
这正是活动星系和巨大能量的来源，高能射电、红外、X光辐射，以及光谱中的禁线等等，都可以用黑洞吸积模型所产生的极端条件来解释。
另一方面，活动星系核的活动周期，光度，谱线的不同可以用吸积盘的遮蔽来解释，AGN的不同主要是由于观测上的原因。
这就是黑洞吸积盘模型的一个示意图：一个环状的吸积盘围绕在中央黑洞的周围。
要了解活动星系核的这个模型，首先应该先直到对于活动星系和分类以及他们的特性和相互之间的不同，这样才能够对于怎样用统一模型去解释活动星系核有所理解。
致力于中国时域天文在活动星系核领域的前沿研究r——记中山大学物理与天文学院特聘研究员张雪光肖延胜【期刊名称】《海峡科技与产业》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】2页(P158-159)【作者】肖延胜【作者单位】【正文语种】中文如今，天文学已经进入了一个飞速发展的时代，各种大口径望远镜的建造、大天区巡天计划的实施，让更深入、细致地揭示宇宙以及宇宙中各种天体的起源和奥秘成为了可能。
与此同时，学术研究领域也风起云涌。
基于光变特性而开展的时域天文研究，无疑是今后很长一段时间内的热门领域，将为广义相对论的验证、黑洞的物理起源及本质、高能天体的能源之谜、行星的探索和证认等不同天文学尺度的前沿热点问题提供可能的解答。
目前，我国的时域天文的研究尚处在刚刚起步的阶段，缺乏在大天区方面系统的时域天文观测数据、缺乏基础的时域天文的软件分析基础以及相应的研究领域的研究储备。
我国迫切需要加入到时域天文研究的国际研究领域中，及时的撷取时域天文领域的科学明珠，提高我国在时域天文研究中的国际影响力和国际地位。
张雪光研究员在时域天文研究及其在活动星系核领域的应用中有着多年的科学积累和丰富的学术经验，本刊就此对他进行了专访。
1996年，张雪光以优异的成绩考入中国科学技术大学。
大学4年的课业学习，让他打下了扎实的科研基础；此后5年的硕博连读，更让他在天体物理中心涉足天文学领域，并与此结下了不解之缘。
中国科学技术大学天体物理中心良好的学术氛围，浸润了张雪光投身天文学研究的理想，更让他的科研羽翼在知识的滋养下日益丰满。
攻读硕士学位期间，在导师王挺贵教授的指导下，张雪光开始接触并研究活动星系核的核区特征，并得到了低光度活动星系核的特殊的核区特征的研究成果。
该成果发表在天文学顶级期刊英国皇家学会天文学月刊MNRAS上，为明确低光度活动星系核特殊的核区特征及其物理起因作出了贡献。
此后，张雪光进一步对活动星系核的发射线的特征进行了细致的研究，他介绍：“在持续对活动星系核双峰结构窄发射线的研究过程中，我们使用大样本的统计特征，基于中心黑洞质量的统计特性，为双峰结构窄发射线的双黑洞模型的物理起源作出了反证，明确了使用双峰结构窄发射线特征寻找双黑洞系统的低效，在难以完成核区空间结构解析的前提下，避免通过双峰结构窄发射线进行双黑洞系统的探索和证认走入更曲折的道路。
天体物理学宇宙中天体的起源与演化天体物理学是一门研究宇宙中天体的起源、演化以及宇宙本身性质的学科。
本文将介绍天体物理学领域中的天体起源和演化的主要内容。
一、宇宙的起源宇宙的起源是天体物理学中一个重要的课题。
大爆炸理论是目前广为接受的宇宙起源理论。
根据大爆炸理论，宇宙起源于约138亿年前的一个初始奇点，奇点爆发后发生了快速膨胀，形成了宇宙。
在宇宙形成的初期，存在一种高温高密度的物质，称为宇宙背景辐射。
宇宙背景辐射是宇宙演化的重要证据，它是目前已知的最早的辐射。
二、恒星的形成与演化恒星是宇宙中最常见的天体之一，其形成和演化过程备受关注。
恒星形成通常发生在星际分子云中，云气逐渐因重力而坍缩，并在核心形成高温高密度的恒星。
恒星的演化过程分为主序阶段、巨星阶段和末期阶段。
主序阶段是恒星最长久的阶段，恒星通过核聚变将氢转变为氦，释放出大量的能量和光。
巨星阶段是恒星进化的重要阶段，恒星核心内的氢耗尽，星体膨胀成巨大的红巨星。
最终，恒星在末期阶段发生引力崩溃，分为超新星爆发和恒星残骸两种命运。
超新星爆发会释放出巨大的能量，并在恒星核心形成中子星或黑洞，而恒星残骸则会形成白矮星或中子星。
三、星系的形成与演化星系是宇宙中由星星、气体、尘埃等组成的庞大天体系统。
星系的形成是由于原始宇宙中微弱的扰动，通过引力作用逐渐聚集形成的。
根据模拟计算和观测结果，星系形成的主要机制是冷暗物质和热晕气体的相互作用。
冷暗物质的引力作用使气体在密度较高的区域逐渐聚集，形成暗物质晕。
随着暗物质晕的进一步演化，气体逐渐坍缩并形成星系。
星系的演化经历多个阶段，包括原始星系、活动星系和星系团。
原始星系是宇宙早期形成的星系，它们通常具有年轻恒星和大量尘埃。
活动星系是具有明亮核区和强烈辐射的星系，这些星系中往往含有超大质量黑洞。
星系团是由多个星系组成的庞大结构，其中包括了恒星、恶性星系和星际物质等。
四、宇宙的演化与未来宇宙的演化是天体物理学研究的核心内容之一。
第五章星系：大尺度结构的基本砖块5.1 银河系（Milky Way）银河系是一个圆盘状的恒星系统。
直径约50kpc，厚度约2kpc。
主体部分称为银盘，中心为一个半径约4kpc 的大质量棒状核心，是一个棒旋星系。
银河系被直径约为100kpc 的银晕笼罩。
银晕外面范围更广、更稀薄的叫银冕。
银河系整体作较差自转。
越靠中心自转速度越快。
银河系中心位于人马座方向。
太阳位于银道面以北约8pc 处，距银心约8.5kpc。
银河系具有旋臂结构，从银河中心伸出四条旋臂：人马臂、英仙臂、猎户臂、盾牌臂。
银河系除了自转以外，还朝着麒麟座方向以211km/s 的速度飞奔。
银河系是一边旋转一边向前飞行，象一个巨大的飞碟。
包含恒星总数在3000 亿颗以上。
银河系的年龄估计在100 银河系的质量约为1012M⊙，亿年以上。
5.2 星系有两种云雾状的天体系统。
一种是和银河系类似的恒星系统，称之为河外星系。
仙女座大星云实际上应称为仙女座星系。
另一种是弥漫星云，是体积巨大，密度非常稀薄的天体。
这是真正的星云。
如果星云内部或附近有恒星，受恒星发射紫外辐射的激发，星云里的气体发出荧光，就成为发射星云。
其光谱为明线光谱。
如猎户座大星云，三叶星云等。
如果附近的恒星辐射较弱，不能使气体激发发光，只能反射恒星的光，就成为反射星云。
其光谱为暗线光谱。
如果星云内部或附近没有恒星，则成为暗星云，只有在背景衬托下才能被看见，如马头星云。
星系的分类一般用Hubble 分类法，按其形态分为1）椭圆星系，用En 表示2）旋涡星系，用S 表示。
旋涡星系有一个称为核球的核心，核球外面是一个圆盘状的旋臂结构。
按核球大小和旋臂展开程度可分为Sa, Sb, Sc 等次型。
3）棒旋星系，用SB 表示。
与旋涡星系类似，也有旋臂结构，但核心是一个棒状物。
也可进一步细分为SBa, SBb, SBc 等次型。
银河系为SBc 型。
4）不规则星系，用Irr 表示。
不规则星系没有一定的形状，没有可辨认的核，也没有旋臂结构。
核天体物理核天体物理是一门研究恒星、星系和宇宙的物理学分支。
它主要研究的对象是恒星的演化、恒星内部物质的运动、核反应以及恒星爆炸等现象。
核天体物理的研究对于我们理解宇宙的形成与演化历史、了解恒星内部运动机制以及探索新的天体物理学现象具有重要意义。
下面将对核天体物理的研究内容、研究方法以及该领域最新的研究进展进行简要介绍。
核天体物理研究的内容主要包括恒星结构和演化、恒星的中心核反应、核物理过程与恒星演化的关系、恒星的爆炸以及宇宙中的星系演化等。
恒星结构和演化的研究是核天体物理学的基础，通过观测和理论模拟的相结合，研究人员能够推断恒星的内部温度、密度和组成等物理性质。
恒星的中心核反应是恒星能量来源的关键，其中的核聚变反应在恒星内部不断进行，使恒星维持着稳定的物质平衡。
核物理过程与恒星演化的关系是核天体物理中的重要研究内容，通过对核物理学过程的研究，可以推断出恒星的年龄、质量和化学成分等。
恒星的爆炸是核天体物理的另一个重要研究领域。
恒星的爆炸可以分为两种类型：超新星爆炸和引力坍缩超新星爆炸。
超新星爆炸是恒星演化的末期，当恒星内部的核燃料耗尽时，恒星的内部会发生坍缩并形成一个致密的中心物体，同时释放出大量的能量和物质。
引力坍缩超新星爆炸是核天体物理学的新的研究领域，它是一种由于中子星或黑洞引力作用于周围物质而引发的爆炸现象。
近年来，核天体物理学取得了多项重要的研究进展。
例如，科学家们通过观测引力波成功探测到了黑洞和中子星的碰撞，并获得了有关引力坍缩超新星爆炸的重要数据。
此外，人们还通过对超新星爆发过程的观测，发现了新型的超新星，如超新星SN 1987A，以及构成快速演化的恒星类别。
这些新的研究成果为我们理解恒星的演化和宇宙的起源提供了重要的线索。
总之，核天体物理是一门研究恒星、星系和宇宙的物理学分支，在我们理解宇宙的演化历史，探索新的天体物理现象方面具有重要的意义。
通过研究恒星的结构、演化、核反应以及恒星的爆炸等现象，我们可以更加深入地了解宇宙的运行规律，并推动相关领域的技术和应用的发展。
高中天体物理知识点天体物理学是研究天体的性质和演化的科学。
在高中物理课程中，天体物理是一个重要而有趣的知识点。
本文将介绍一些高中天体物理的核心知识，帮助读者更好地理解宇宙的奥秘。
一、星系与宇宙起源星系是由恒星、行星、气体和尘埃组成的庞大空间结构。
它们按照形状可分为椭圆、螺旋和不规则星系。
现代天文观测发现，宇宙中的星系数量是如此巨大，而它们又以一种看起来近乎均匀的分布方式呈现，这引发了对宇宙起源的研究。
宇宙起源理论主要有宇宙大爆炸和宇宙膨胀的模型，而且进一步的观测结果表明，宇宙的膨胀速度在加快。
这个发现让人们猜测宇宙中存在着一种被称为暗能量的新型物质。
二、行星与行星形成行星是绕恒星运行的天体，它们可以细分为类地行星和巨大行星。
类地行星通常是由岩石和金属构成，如地球和火星；而巨大行星则主要由气体和液体组成，如木星和土星。
行星的形成主要是通过原始星云坍缩和星际物质的吸积过程，其中引力是主要的驱动力。
此外，行星的运动规律也与万有引力有关。
三、黑洞与引力黑洞是一种由恒星引力坍缩而成的天体，它们具有极强的引力场，甚至连光都无法逃脱。
黑洞是相对论理论的天体预言之一，并在近年来得到了相关观测的确认。
我们常说的“引力场”其实就是质量物体在空间中产生的一种效应，使得周围物体会被吸引向中心。
黑洞的存在充分地体现了宇宙中重力的强大和奇特。
四、太阳系与行星运动太阳系由太阳、行星、卫星等天体组成。
太阳系中的行星运动服从开普勒定律。
开普勒第一定律也被称为“椭圆轨道定律”，表明行星绕太阳运动的轨道呈椭圆形；开普勒第二定律也被称为“面积定律”，表明在相等的时间内，从太阳到行星的连线所扫过的面积是相等的；开普勒第三定律也被称为“调和定律”，它表明行星绕太阳的平均距离与周期的平方成正比。
五、宇宙射线与星际介质宇宙射线是指来自宇宙空间的高能粒子辐射，它们源自于太阳、星系和星际空间中的一些高能天体活动。
探测宇宙射线对于理解宇宙的形成和演化过程非常重要。
讲 座天体物理学讲座第二讲 活动星系核物理3王 挺 贵(中国科学技术大学天体物理中心 合肥 230026)摘 要 星系的活动是星系核心大质量黑洞吸积周围的气体释放巨大的辐射功率的过程,它是强引力场物理、高能物理和辐射流体物理的天然实验室.文章介绍了活动星系核中黑洞吸积、发射线形成和外流的观测事实和基本物理过程等,指出了现有理论存在的一些问题.关键词 星系,黑洞,吸积,辐射过程PH YSICS OF ACTIVE G A LACTIC NUC LEIW ANG T ing 2G ui(Center for Astrophysics ,Univer sity o f Science and Technology o f China ,H e fei 230026,China )Abstract Active galactic nuclei are am ong the m ost spectacular objects in the universe w ith huge energy output in a small v olume.It is believed that the release of gravitational binding energy through accreting matter into supper 2massive black holes is the basic force behind their activity.They are a natural laboratory for strong gravitation ,high energy phys 2ics and radiative fluid dynam ics.W e review some basic physical processes in the accretion disk ,em ission line region and outflows from nuclei.K ey w ords galaxies ,black hole ,accretion ,radiative process3 国家杰出青年科学基金(批准号:19925313)资助项目2000-11-23收到初稿,2001-02-26修回1 引言1947年,Sey fert 发现一些星系蓝致密核的光度和整个星系相近,是今天称为Sey fert 星系的最为常见的活动星系核.但其本质在1965年Schmidt 发现类星体之后才得以认识.在证认射电源3C273的光学对应体时,Schmidt[1]意外发现该天体的红移z =01158,如把这一红移解释为宇宙学红移,该天体的总的辐射光度高达1040W.目前已知类星体的最高光度为1041W ,是整个银河系的光度的104倍.观测结果表明,类星体和Sey fert 星系核一样,位于星系的核心,只是光度更高而已,核心的明亮使得星系本身很难观测.活动星系核从高光度的类星体到低光度的活动星系核,在辐射功率空间跨9个量级.然而这些天体的中心引擎的尺度只有太阳系大小.很多活动星系核表现出较大幅度的光变,而这种光变尤其在X 射线波段更为突出:在一些活动星系核中,观测到102—4s 时间大幅度变化,由于发射区的不同部分信息交换速度不能超过光速,上述变化时间可被解读成光穿越发射区的上限,即发射区尺度应小于1012m.一些活动星系核表现出几百万个光年的大尺度的定向射电喷流,表明这些天体的寿命至少在百万年.高光度、小尺度和稳定是发展大质量黑洞吸积模型的一个重要出发点.活动星系核又是从射电到高能辐射的全电磁波段几乎均匀辐射的天体,这使其成为每一个波段探测的重要对象;在目前大家能够普遍接受的机制———大质量黑洞吸积下,活动星系核的性质与极端的物理过程———相对论性强引力场———密切相关,可能是最为特殊的物理实验室;活动星系核的极端高光度,使其成为到目前为止几乎是惟一的能够进行细致光谱研究的高红移天体,因而对早期宇宙结构的形成研究有重要的意义.由于这些重要性,活动星系核的研究已经成为现代天体物理研究的热点之一.2 中心引擎———大质量黑洞吸积依照现在的理解,活动星系核的中心为106—9太阳质量(M÷)的巨型黑洞,核区的气体在黑洞的引力作用下,慢慢地从远处下落到很深的黑洞的引力势阱中.在这一过程中,巨大的引力结合能就被释放出来[2—4].在经典牛顿力学的情况下,一个试验质点绕一大质量天体运动时,引力势能跟轨道半径成反比,稳定的轨道半径一直延伸到该天体的表面,因而最大结合能是试验质点贴近天体表面时的数值.在黑洞的强引力场中,广义相对论效应主要表现在两个方面:首先,最内的稳定轨道已经不是黑洞的几何边界(视界),而是在外面一些,具体与黑洞的内禀参数有关.对于没有自转的黑洞(Schwarzschild黑洞)和极端自转的黑洞(K err黑洞),这一半径分别为6个引力半径和1135个引力半径(1rg=0175M/M÷km),对应的轨道结合能分别为0108和0142物质的静质能,比太阳的热核聚变效率01008高出1—2个量级.在这些轨道以内,物质以接近光的速度落入黑洞,没有时间产生可观的辐射.其次,黑洞的边界不是一个硬表面,只是因果关系几何界面,物质和能量通过该界面进入黑洞.在物质落入黑洞之后,所携带的能量、角动量等也带进黑洞,所以只有当物质在最后稳定轨道时大部分结合能都以一定的形式释放之后,上述效率才得以实现.气体在黑洞的引力场中稳定地流入黑洞的过程被称为吸积.吸积与边界条件有关,现在发现的稳态解主要有四类,现分别介绍如下.211 球对称吸积流Schwarzschild黑洞吸积整体角动量为零的气体,对称性决定了吸积必然是球对称的.气体在下落的过程中,不断被压缩,一部分引力势能转化为气体的热能,而部分热能通过电子和离子的碰撞或者其他过程会被转化为辐射.无辐射损失的球对称吸积的解完全由外边界条件给出.由于是稳态解,通过不同半径的球面物质流量是个定值,被称为吸积率(M),这也是通过视界进入黑洞的物质流量.一般来说,球对称吸积的辐射效率比较低,其具体数值强烈地依赖于磁场强度、吸积率的大小、是否存在激波等因素.辐射与物质的作用产生向外的压力,由于辐射的功率(因而辐射压)随吸积率增大而增大,很显然吸积率必然有一个上限,以保证中心黑洞的引力超过辐射压,使辐射过程能够顺利进行.辐射压与引力平衡下的吸积率,被称为Eddington吸积率(M Edd),而对应的辐射光度被称为Eddington光度[LEdd=115×1031(MΠM÷)W].212 薄盘有一类辐射非常有效的解被称为薄盘解[5,6].这类解适合于被吸积气体具有大的整体角动量和中等吸积率(0101M Edd<M<013M Edd)的情况.整个盘的辐射冷却非常有效,物质“较冷”,气体的压力跟中心黑洞的引力相比很小,因而盘的垂直高度远小于半径,几何薄.压力小的另一个推论是吸积流几乎作开普勒运动,圆周运动的速度远大于气体的声速或者吸积流的径向速度.径向下落的速度取决于通过粘滞损失角动量的速率,可通过粘滞系数ν来描述. Shakura和Sunyaev[5]在其经典性的文章中指出,动力学张量的自然标度是压强p,因而可以把粘滞张力写成-αp(α≤1).在α为常数的假设下,吸积盘的结构主要由两个参数决定,即吸积率和黑洞的质量.在薄盘的外区,压强是以气体的压强为主;而到了盘的内区,辐射压超过气体压成为主导.在上述的粘滞加热假设下,吸积盘是热和粘滞不稳定的.但是目前还不清楚这些不稳定性的最后结果是使盘整个消失还是使盘成为非稳态的盘结构;另外,在更为实际地考虑盘在垂直方向上的结构之后,是不是会稳定也不得而知.213 “苗条”盘当吸积率更高时,辐射的压力增大,使得吸积盘的内区变厚,薄盘近似已经不再适用,而必须考虑吸积盘的垂直方向结构,此外也必须考虑径向的辐射转移.在中心区域,必须解二维的辐射流体力学方程.这种吸积盘被称为“苗条”盘[7].“苗条”盘的特点是比薄盘更热,因而热辐射的峰值频率更高.其次,由于光学厚度的增加,在吸积盘内区,辐射向外扩散的时标可能比吸积物质向内运动的时标长,而被物质拖着向内,部分进入黑洞,降低了辐射效率.由于“苗条”盘的结构远比薄盘复杂,这一盘远没有薄盘研究得细致,许多问题还有待解决.214 ADAF(advection dominated accretion flow)盘在吸积率很低时,由于物质不能很好地冷却,辐射效率很低,因而粘滞产生的热主要加热气体并随气体的下落带入内区,因此气体的温度很高.由于相对论性电子的辐射能力比较强,能够很好地冷却,因此电子很难加热到极相对论的温度;而离子本身的辐射能力很低,再加上在低密度的气体中,离子和电子能量交换的时标长于物质内流的时标,离子和电子具有不同的温度.离子的热压力与引力的大小在一个数量级上,这时吸积盘表现为几何厚、光学薄的吸积盘.由于在这类盘中,热主要被带向吸积盘的内区,因此被称为ADAF盘.由于在ADAF的模型中,大部分的热被吸积流带入黑洞,因此辐射的效率很低,约为10-4—10-3.在绝大多数AG N中,吸积过程不可能是球对称的,因为一般星系核心的气体都具有较大的角动量;其次在黑洞有自转的情况下,接近黑洞的区域吸积流也是非球对称的.其他形式的盘中,都允许有较大的角动量,但是由于整体的高效率的要求,活动星系核在其一生的主要吸积产能阶段,不可能是由ADAF主导.在AG N一生最为活跃的阶段,可能是由薄盘和“苗条”盘主导.在薄盘模型中,光学厚的盘物质的辐射近似为黑体辐射,由于引力能大部分在内区释放,其典型温度为105—106K左右,因而在紫外产生一个大的辐射峰值.观测发现确实存在这样一个包,通常称为“大蓝包”.然而,谱还存在很大的差别:在光学波段,观测到的谱比理论的热辐射模型预言的要陡;热辐射在高频有一很陡的下降,但观测谱在远紫外波段并不存在这一明显特征.事实上,只要活动星系核中有一大部分辐射由内区的光学厚物质产生,热辐射的光度与面积和温度的关系必然给出“大蓝包”这一特征,而跟具体的盘结构无关.“苗条”盘也是极光学厚的,所以也产生紫外“大蓝包”.由于“苗条”盘对应的吸积率更高,盘的温度也更高,因而热辐射的峰值频率更高.在热辐射盘模型中,由于不同频率的辐射来自于不同半径的区域,而这些区域之间以声速交换信息,因而它预言了不同波段的变化有较大的时间延迟,这与一些活动星系核的多波段监测结果不符.这些问题可以通过对薄盘模型的修改来实现,通过提高不同区域的能量交换速度或者通过非热谱等方式来解决,其中讨论最多的是内区产生的X射线照射外区,从而缩短时延.目前认为ADAF这类吸积流在一些很低光度的活动星系核起作用,这些活动星系核并不呈现明显的“大蓝包”辐射特征,被认为是由于缺乏热的光学厚气体的证据,而与ADAF性质一致.由于盘内气体很热,有可能很容易形成向外的风,因此有人认为一些射电强的活动星系核的射电喷流的形成可能与这有关[8].但是有一点可以肯定,并不是所有射电强的活动星系核中心都是ADAF盘,因为他们当中的不少同样具有强的“大蓝包”.在较高光度的活动星系核中,除了存在明显的“大蓝包”的热辐射成分之外,其中几乎有同等的能量均匀地分布在不同的波段,这一特征明显有别于热辐射,我们称之为非热部分辐射.在太阳这样的活跃恒星中,非热的输出只占10-5,因而不会对基本结构产生影响;而在活动星系核中,非热部分与热辐射在同一量级上,非热辐射部分对结构有重要影响.在标准的薄盘和“苗条”盘模型中,都没有考虑到非热辐射是怎样产生的.在太阳中,这些非热现象与磁场过程紧密相关,但理论上模拟磁场的实际产生过程还是一个难题[9].在吸积盘中,流体间的强剪切运动很容易产生比较强的磁场,而磁场也一直被认为是盘中粘滞的主要来源.在活动星系核的吸积盘研究中,由于热与非热的成分相近,如果非热与磁场过程相关,那么磁场就可能具有动力学上的重要性,因此必须在盘的动力学结构上同时考虑磁场.由于引入磁场会使本来就很复杂的问题更加复杂,目前大多数的吸积盘模型只考虑流体问题.1)在活动星系核中,谱线的宽度被认为是由于发射气体的运动多普勒移动引起的,因而一般用气体的运动速度来表示谱线宽度参数2)原子或者离子的亚稳激发态,其向下能级的自发跃迁系数很小,在地面即使是最好的实验室真空条件,粒子之间的二次碰撞时间短于其能级的寿命,因此这些能级主要是靠碰撞退激发的,在实验室的条件下,产生不了这些线3 发射线区活动星系核的谱的另一大特征是具有丰富的发射线,包括了宇宙中几乎所有比较丰富的元素不同电离程度的离子的发射线(图1).其谱线可以分为两大类:一类是窄线,典型的宽度是每秒几百公里1),以强的禁线2)发射为特征,其中[OⅢ]5007为最强;另一类是宽发射线,典型宽度在每秒五千公里,其中最宽的可达每秒二万五千公里.宽发射线中只有允许线和部分半禁线.这些发射线是活动星系核区附近的气体被中心的连续谱照射之后产生的.线产生的主要过程有两图1 类星体的平均光学、紫外波段谱(图中展示了非常丰富的发射线,主要发射线已在图中标出.图中有很多小的局部鼓包和峰,它们是由一些重叠的线形成的)步:第一步,能量高于原子或者离子外层电子结合能的光子把外层电子打跑,从而形成必要的离子,这一过程被称为光致电离.光致电离过程不只产生离子,而且往气体中注入能量.第二步是复合过程,即自由电子被离子俘获到某一能态,多余的能量以光子的形式发出,形成复合连续谱.由于氢是宇宙中最为丰富的元素,活动星系核中最为明显的复合连续谱是氢的巴耳末连续谱.在3000!左右形成了一个“小包”.复合到激发态的电子再通过级联过程落到基态,从而产生一系列的谱线,这些线被称为复合线.最为突出的复合线是氢的Lyα和巴耳末线系列.与复合线形成不同,还存在另外一个激发过程,就是原子或者离子通过与电子碰撞而使外层的电子到激发态(碰撞激发过程).碰撞激发对一些碰撞截面比较大、而能级又与电子平均能量差得不多的重元素特别有效,它是发射线气体冷却的一个主要因素.几乎所有强的禁线都是通过碰撞激发的,而像CI V1549这样的强的允许线也是以碰撞激发的贡献为主.由于活动星系核的连续谱在频率空间宽分布,具有能电离各种离子的光子,因而可以允许同一元素与不同电离程度的离子共存,形成了与碰撞电离气体截然不同的光谱.由光致电离和复合平衡可以确定出平衡气体的电离程度.由于复合速率正比于离子和电子数密度的乘积,而电离速率正比于离子和电离光子数密度的乘积,因而电离光子数和粒子数密度的比(电离参数)基本上刻画了气体的电离程度.由加热和冷却平衡方程确定出气体的温度大约在104K,这与观测到的碰撞激发线的能量一致.由禁线和半禁线强度可以估计出发射线气体的粒子数密度,窄线区在103—106cm-3,宽线区在109—1011 cm-3.精确计算发射线谱是一件很复杂的事,其中主要的困难在于谱线的辐射转移的处理.在电离程度不太高时,需要同时考虑上万条线辐射转移问题,而原子的每个能级的分布并不处在热平衡状态,必须求解能级的布居方程.现有大部分计算用了一种称为逃逸几率的近似,但对于一些光学厚的谱线,这种近似有多好依然是个疑问.其次是很多输入参量(例如电离连续谱的形状)都无法直接观测.事实上,现有的模型计算结果跟观测到结构最简单的元素氢的线谱还有很大的差别[10],这一差别疑为辐射转移近似处理引起的.这些困难阻止了更为雄心勃勃的计划,即通过测量发射线来确定气体的元素丰度,从而得出星系核心的早期化学演化历史.气体的热运动速度只有10kmΠs,远小于观测到的发射线宽度.现在认为,谱线宽度是由于产生谱线的气体的各个部分作相对的高速运动而形成的.目前有几类模型,其中一类模型是发射线区由很多的小云团组成,它们各自在作高速运动.在活动星系核的辐射场中的气体由于热不稳定性,产生二相平衡结构,一相是冷的、较高密度的物质,产生发射线气体(小云团),另一相是热的稀薄介质.但具体的计算发现,从现在观测到的连续谱,根本达不到二相平衡的温度,因而必须有其他的云团约束机制,磁场是其中的一种选择.在云团模型中,线宽的起因可以是云团在黑洞的引力场中运动引起的,也可能是辐射压加速引起的.由于辐射压和引力在大小上同一个量级,因此很难从理论上判断哪个因素主导.另一类模型是发射线气体是从吸积盘中吹出来的风,在辐射压下加速,但在靠近吸积盘的底部,以转动为主[12].窄发射线区的尺度为1016—1019m,邻近活动星系核的窄发射线区能够用望远镜分辨,直接研究其结构;宽发射线区离中心黑洞的距离为1013—1015m,其结构研究必须通过一些间接的办法.由于活动星系核的连续谱大都有较大幅度的变化,谱线是由连续谱激发的,这种变化同时也会引起谱线的变化,测量谱线对连续谱的响应能够给出宽发射线区的结构信息.这一方法需要消耗大量的望远镜观测时间,国际上已经组织过一系列的联测活动,结果表明宽发射线区是几何厚的,高电离度谱线的产生区远小于低电离度谱线的形成区.由于高电离度谱线比低电离发射线宽,因而得出离中心近的气体速度快的结果,与引力束缚模型的期望相一致.若谱线的宽度确实反映了维里化的速度场,那么测量宽线区的尺度和谱线宽度就能给出中心黑洞的质量.这一质量在低光度的Sey fert 星系核中为107M ÷左右.观测发现,对于同一条谱线,其发射区的尺度与光度的平方根成正比,这一结果可能反映了不同活动星系核中宽线区的物理参数类似这一特征.但由于已经进行过光变监测的大部分活动星系核光度较低,而且射电辐射弱,这些结论是否适用于高光度的类星体和射电强的活动星系核,目前还是个疑问.随着观测技术的提高,活动星系核在X 射线波段谱线研究也已经开始.这些线的产生区域比一般的光学、紫外线更靠近黑洞,携带着黑洞周围时空和气体的运动信息.在引力场中,气体高速运动的狭义相对论多普勒效应和黑洞的广义相对论效应相结合,产生了很奇特的不对称谱线轮廓,这与观测到的614keV 的FeKα谱线轮廓(见图2)相一致[13].同时,来自Chandra 的新观测结果也包括来自延展的热相气体的谱线[14],从而有可能直接检验宽线区的二相模型.随着大面积、高谱分辨率的空间X 射线项目的实施,X 射线谱线研究最有希望获得活动星系核中大质量黑洞吸积的基本观测证据.图2 Sey fert 星系NG C 4151的奇特的不对称Fe K 线轮廓以及与来自黑洞的相对论性吸积盘的理论线轮廓比较4 外流除了吸积之外,活动星系核存在着相对论性和非相对论性外流.相对论性的外流表现在一类射电强的活动星系核的射电喷流中,因为这类喷流最先而且最容易在射电波段测量到1),因而通常被称为射电喷流.随着观测技术的发展,它们在光学波段和X 射线波段的对应的喷流[15]也已经被观测到.对内区的高分辨率的射电观测发现,这些射电源经常会产生一些新的子成分,这些子成分的表观运动速度往往超过光速.这一现象可以在狭义相对论的框架下得到解释:这些子成分以接近光速几乎朝着观测者运动,喷流的洛伦兹因子在10左右.与吸积盘的辐射不同,射电喷流的辐射几乎是纯的非热辐射,即可很好地用幂律谱来描述,同时这些辐射也具有较高的偏振度.这些特征可以用相对论性电子在磁场中的同步辐射来很好解释;由于同步辐射产生的光子不可避免地被相对论电子散射到更高的能量,这被称为同步自康普顿辐射.在电子动量各向同性的情况下,同步辐射和逆康普顿辐射功率之比等于辐射区的磁场和辐射场的能量密度之比,若同步辐射产生的辐射场能量密度超过磁场能量密度,一次逆康普顿辐射超过同步辐射场,二次的超过一次……,这样电子很快就损失掉所有的能量,压低了辐射场的能量密度.由这一限制,给出了同步辐射的亮温度应小于1012K.在不少射电源中,核心区域的亮温度超过1012K,在这些源中同时观测到视超光速运动,说明了相对论性放大效应起作用,但这也不排除可能的相干辐射机制在起作用.1)因为射电波段采用了长和甚长基线干涉技术,分辨率达到亚毫角秒,比一般光学的角秒分辨率高得多在一类称为Blazar 的喷流对着观测者的射电源中,空间γ射线天文台(G RO )测量到很强的高能(10G eV )γ射线辐射,而地面的更高能探测器已经在几个邻近的这类天体中测量到了10T eV 的极高能γ辐射[16].γ射线辐射显然是在喷流中产生的,一般认为它是通过高能电子散射低能光子而产生,现在争议较大的是软光子究竟是在喷流中的同步辐射光子还是外光子场.产生辐射电子的能量必定大于γ光子能量,相对论电子的能量应在10T eV 以上.电子的同步或者逆康普顿辐射能量损失速率正比于电子能量,因而这些高能电子很快就损失掉能量,这需要非常高的电子加速效率来实现.在相对论性流体中,电子如何加速到这么高的能量是一个没有解决的问题.在激波加速机制中,由于离子加速效率比电子高得多,而离子的辐射损失要小得多,所以有学者提出高能γ光子是由重子过程产生的,而另一些学者提出甚高能宇宙线的产生可能与此有关.喷流的产生、准直和加速是一个悬而未决的问题.有几种喷流产生和加速的方案,一种是辐射压加速模型,这主要是80年代初发现高吸积率的厚盘解,该解中在对称轴上有一个漏斗状的辐射锥,被认为是形成和约束喷流的自然管道,同时强大的辐射压加速物质到高速.后来发现,首先,这种盘在动力学上是不稳定的;其次,除非喷流以正负电子对为主,否则辐射不可能加速喷流到观测到的相对论性.现在讨论得比较多的是磁加速模型,由Blandford和其合作者[17,18]提出的,其中又有两种:一种是通过磁场来提取快速转动黑洞的转动能,将其转化为电磁能,从而加速物质;另一种是吸积盘的磁流体力学风,如果有整体的磁场冻结在吸积盘上,而磁力线向外,物质在沿着磁力线向外运动的过程中就得到了加速.磁场本身也起到约束和准直作用,但是由于在弯曲空间下的磁流体力学是个很复杂的问题,现在这些都只是猜测.此外,现在还不清楚喷流里的物质是以轻子(正、负电子对)为主还是正常的等离子体(质子-电子).宇宙中只有10%的活动星系核具有强的射电辐射,而其他的射电辐射要弱得多.一个更为基本的问题是为什么只有这部分活动星系核表现出强的射电辐射.观测表明,所有的射电强源都在大质量的巨椭圆星系中,而射电弱源在旋涡星系和椭圆星系中都有可能.最近的研究揭示这种差别可能出于这两类星系中心的黑洞质量不同,即射电强源中的黑洞质量较大[19],这在理论上有点出乎所料,需要有进一步的观测支持.另外有些研究者提出,射电的起因可能不在于中心吸积盘,而在于外面有没有介质束缚喷流.这一点与射电源的核区环境通常有弥漫的热X射线辐射气体一致.在活动星系核中还存在着另外一种非相对论性外流,速度为102—104kmΠs.这类外流主要通过蓝移了的紫外吸收线观测到,因而外流的速度可以很好地确定.这类外流跟射电性质没有关系,在射电强和弱的活动星系核中都可观测到.产生吸收线的物质离中心的距离在1015—1018m之间,但没有一个很好的准确估计距离的办法.然而这一距离对估计总的物质外流的速率非常重要.最近,更高电离度的吸收线也在X射线波段观测到[20],因此人们希望对紫外和X射线吸收的细致测量和理论比较能够给出离中心的距离和吸收物质的总量.外流的速度和吸收物质的柱密度随光度的增大而增大,几乎可以肯定外流是由辐射加速的.至于外流的起源,现在还没有定论,可能是吸积盘的热风,也可能是更外面的物质被中心辐射场吹出.5 结束语毫无疑问,活动星系核是一个研究极端强引力场中物理过程的天然实验室.虽然大多数研究人员都接受现有基本理论框架———大质量黑洞吸积周围的气体,但大质量黑洞还有待于进一步从观测上证实,这可能是今后几年观测的一个重点.在黑洞的引力场中,气体吸积的具体细节是具有挑战性的流体和磁流体力学问题,但随着观测手段和计算技术的提高,对这方面问题的认识将会进一步加深,同时观测会提出更多的问题.星系活动的起源问题的研究也已经提到日程上来,如大质量黑洞的形成,气体的供给等问题,这些又与星系的形成和演化过程紧密相关.这些问题无疑将成为未来天体物理研究的重点问题之一.参考文献[1]Schm idt M.Nature,1963,197:1040[2]Z eldovich Y B,N ovikov I D.D okl.Acad.Nauk.SSSR,1964,158:811[3]Rees M J.Ann.Rev.Astron.&Astrophy.,1984,22:507[4]Lynden2Bell D.Nature,1969,223:690[5]Shakura N I,Sunyaev R A.Astron.&Astrophys.,1973,24:337[6]N ovikov I D,Thorne K S.In:DeW itt C,DeW itt B eds.BlackH oles.New Y ork:G ordon and Breach,1973[7]Abram owicz M A,C zerny B,Las ota J P et al.Astrophy.J.,1988,332:646[8]Bland ford R D,Begelman M C.M on.N ot.R oy.Astron.S oc.,1999,303:L1[9]Parker E N.Physics T oday,2000(6):26[10]Francis P J,Hewett P C,F oltz C B et al.Astrophy.J.,1999,373:465[11]Ferland G.In:Quasars and C osm ology.San Francisco:ASP,1999.147[12]Murray N,Chiang J.Astrophy.J.,1997,474:91[13]W ang J X,Zhou Y 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