类星体中心存在一个超大质量黑洞，是怎么判断出来的？
要弄清楚类星体中心那个吞噬一切的大家伙——超大质量黑洞是怎么被发现的，这可不是件容易事，因为它本身就藏得严严实实，我们能看到的只是它带来的种种“副作用”。想象一下，你不可能直接看到一个藏在厚厚迷雾中的巨大怪兽，但你能看到它搅动的周围的树木、掀起的尘土，以及它投下的巨大阴影。科学家们判断类星体中心存在超大质量黑洞，也是基于类似的方法，通过观察这些“副作用”来推断出“怪兽”的真实身份。
这背后是一系列巧妙的观测和推理过程，可以从几个关键证据点上来说明：
1. 类星体惊人的亮度与能量输出：
首先，类星体本身就是宇宙中最明亮的天体之一，它们的亮度甚至可以超过整个星系（包括上千亿颗恒星）的总和。然而，它们又如此遥远，以至于我们看到的只是一个微小的点。这么巨大的能量，从哪里来？核聚变（恒星发光发热的原理）显然不够看。理论计算表明，只有在黑洞引力作用下，物质落入时产生的引力势能转化为动能，再通过吸积盘摩擦、加热，最终以辐射的形式释放出来，才能解释类星体如此惊人的能量输出。
你可以想象一下，你在一个极小的区域内，却能产生比整个城市还要明亮的光芒，这本身就很不寻常。科学家们通过对类星体辐射光谱的分析，发现其能量谱分布很符合物质在极端引力场中被加热发光的特征，而不是恒星的核聚变过程。
2. 物质落入黑洞的吸积盘：
在超大质量黑洞周围，会形成一个高速旋转的盘状结构，我们称之为“吸积盘”。类星体发出的绝大部分光，就是来自这个吸积盘。当气体、尘埃甚至是恒星被黑洞的引力吸引过来时，它们并不会直接掉进去，而是会沿着黑洞的赤道方向螺旋式地落入。在落入的过程中，物质会因为引力加速而获得极高的速度，并且由于粘滞作用，盘中的物质会相互摩擦、碰撞，产生巨大的热量。
这就是类星体炽热光芒的来源。科学家们观测到类星体发出的光谱中，有很多特征谱线，比如强烈的发射线。这些谱线表明，类星体中心的物质正在经历极端的高温和高速运动。通过分析这些谱线的宽度和多普勒效应（运动物体发出的光会发生频率偏移的现象），可以估算出吸积盘中物质的运动速度非常快，而且围绕着一个中心物体在高速旋转。这些速度与黑洞引力场下物质的运动预测非常吻合。
3. 黑洞“吃”东西产生的辐射：
黑洞本身不发光，我们之所以能看到它，是因为它吞噬物质时产生的辐射。当物质落入吸积盘并最终接近黑洞视界（光也无法逃脱的边界）时，会被加速到接近光速。在这个过程中，物质会以极高的温度发光，并且可以向外喷射出强大的喷流。
科学家们通过射电望远镜等设备，观测到了许多类星体有非常强的射电辐射，甚至能看到从类星体中心笔直延伸出去的、长达数百万光年的喷流。这些喷流是由黑洞在吞噬物质时，将部分物质沿着磁场线高速抛射出来的。这些现象是恒星系统无法解释的，但与黑洞活动的预测一致。
4. 类星体中心物质的快速运动：
如果类星体中心是一个巨大的恒星团，那么这些恒星的运动速度会受到整个星团质量的限制。然而，科学家们通过测量类星体中心区域（非常小的范围）物质的光谱线移动，发现其运动速度极快，远远超出了任何已知恒星系统的能力。这些高速运动的物质，只有在极强的引力场下才能被束缚住。而能够产生如此强大引力场的天体，就是超大质量黑洞。
这就好像你扔一块石头，它飞出去的轨迹和速度跟你扔的力气以及地球的引力有关。如果石头飞得异常快且轨迹特殊，你就会怀疑地球的引力是不是特别大，或者有什么你不知道的强大力量在作用。科学家们通过观测类星体核心区域的恒星或气体云的运动速度，发现它们围绕着一个极其致密的中心区域高速旋转，这个中心的“质量密度”大得惊人，唯一的解释就是一个密度无限大、体积相对较小的黑洞。
5. 对X射线和伽马射线的观测：
物质在被黑洞引力吸引并落入吸积盘的过程中，会产生非常高温的等离子体，释放出大量的X射线和伽马射线。这些高能辐射是区分不同天体的重要标志。科学家们在观测类星体时，也探测到了强烈的X射线和伽马射线辐射，并且这些辐射的能谱特征与吸积盘在高密度、强引力场下产生的辐射模型非常吻合。
总结来说，判断类星体中心存在超大质量黑洞，是基于以下一系列观测证据的综合推断：
巨大的能量输出： 远远超出恒星能量的来源。
吸积盘的形成： 物质在高速旋转中被加热发光。
强烈的辐射： 包括可见光、X射线、伽马射线以及射电辐射，这些辐射的特征谱线和能谱分布都指向黑洞活动。
中心物质的极高运动速度： 表明存在一个质量极其集中、引力极强的核心。
喷流的形成： 黑洞在吞噬物质时将部分物质抛射出来的现象。
这些证据指向了一个共同的结论：类星体的能量来源不是普通的恒星聚集体，而是一个位于中心、质量巨大且极度致密的致密天体——超大质量黑洞。就好比一个罪犯做了那么多坏事，虽然你没看到他本人，但所有证据都指向了他，你就能断定是他干的。
这背后是一系列巧妙的观测和推理过程，可以从几个关键证据点上来说明：
1. 类星体惊人的亮度与能量输出：
首先，类星体本身就是宇宙中最明亮的天体之一，它们的亮度甚至可以超过整个星系（包括上千亿颗恒星）的总和。然而，它们又如此遥远，以至于我们看到的只是一个微小的点。这么巨大的能量，从哪里来？核聚变（恒星发光发热的原理）显然不够看。理论计算表明，只有在黑洞引力作用下，物质落入时产生的引力势能转化为动能，再通过吸积盘摩擦、加热，最终以辐射的形式释放出来，才能解释类星体如此惊人的能量输出。
你可以想象一下，你在一个极小的区域内，却能产生比整个城市还要明亮的光芒，这本身就很不寻常。科学家们通过对类星体辐射光谱的分析，发现其能量谱分布很符合物质在极端引力场中被加热发光的特征，而不是恒星的核聚变过程。
2. 物质落入黑洞的吸积盘：
在超大质量黑洞周围，会形成一个高速旋转的盘状结构，我们称之为“吸积盘”。类星体发出的绝大部分光，就是来自这个吸积盘。当气体、尘埃甚至是恒星被黑洞的引力吸引过来时，它们并不会直接掉进去，而是会沿着黑洞的赤道方向螺旋式地落入。在落入的过程中，物质会因为引力加速而获得极高的速度，并且由于粘滞作用，盘中的物质会相互摩擦、碰撞，产生巨大的热量。
这就是类星体炽热光芒的来源。科学家们观测到类星体发出的光谱中，有很多特征谱线，比如强烈的发射线。这些谱线表明，类星体中心的物质正在经历极端的高温和高速运动。通过分析这些谱线的宽度和多普勒效应（运动物体发出的光会发生频率偏移的现象），可以估算出吸积盘中物质的运动速度非常快，而且围绕着一个中心物体在高速旋转。这些速度与黑洞引力场下物质的运动预测非常吻合。
3. 黑洞“吃”东西产生的辐射：
黑洞本身不发光，我们之所以能看到它，是因为它吞噬物质时产生的辐射。当物质落入吸积盘并最终接近黑洞视界（光也无法逃脱的边界）时，会被加速到接近光速。在这个过程中，物质会以极高的温度发光，并且可以向外喷射出强大的喷流。
科学家们通过射电望远镜等设备，观测到了许多类星体有非常强的射电辐射，甚至能看到从类星体中心笔直延伸出去的、长达数百万光年的喷流。这些喷流是由黑洞在吞噬物质时，将部分物质沿着磁场线高速抛射出来的。这些现象是恒星系统无法解释的，但与黑洞活动的预测一致。
4. 类星体中心物质的快速运动：
如果类星体中心是一个巨大的恒星团，那么这些恒星的运动速度会受到整个星团质量的限制。然而，科学家们通过测量类星体中心区域（非常小的范围）物质的光谱线移动，发现其运动速度极快，远远超出了任何已知恒星系统的能力。这些高速运动的物质，只有在极强的引力场下才能被束缚住。而能够产生如此强大引力场的天体，就是超大质量黑洞。
这就好像你扔一块石头，它飞出去的轨迹和速度跟你扔的力气以及地球的引力有关。如果石头飞得异常快且轨迹特殊，你就会怀疑地球的引力是不是特别大，或者有什么你不知道的强大力量在作用。科学家们通过观测类星体核心区域的恒星或气体云的运动速度，发现它们围绕着一个极其致密的中心区域高速旋转，这个中心的“质量密度”大得惊人，唯一的解释就是一个密度无限大、体积相对较小的黑洞。
5. 对X射线和伽马射线的观测：
物质在被黑洞引力吸引并落入吸积盘的过程中，会产生非常高温的等离子体，释放出大量的X射线和伽马射线。这些高能辐射是区分不同天体的重要标志。科学家们在观测类星体时，也探测到了强烈的X射线和伽马射线辐射，并且这些辐射的能谱特征与吸积盘在高密度、强引力场下产生的辐射模型非常吻合。
总结来说，判断类星体中心存在超大质量黑洞，是基于以下一系列观测证据的综合推断：
巨大的能量输出： 远远超出恒星能量的来源。
吸积盘的形成： 物质在高速旋转中被加热发光。
强烈的辐射： 包括可见光、X射线、伽马射线以及射电辐射，这些辐射的特征谱线和能谱分布都指向黑洞活动。
中心物质的极高运动速度： 表明存在一个质量极其集中、引力极强的核心。
喷流的形成： 黑洞在吞噬物质时将部分物质抛射出来的现象。
这些证据指向了一个共同的结论：类星体的能量来源不是普通的恒星聚集体，而是一个位于中心、质量巨大且极度致密的致密天体——超大质量黑洞。就好比一个罪犯做了那么多坏事，虽然你没看到他本人，但所有证据都指向了他，你就能断定是他干的。
网友意见
首先我们知道类星体的光度约为 ，属于高光度天体，且光变时标短则几小时长则几年，由此可以知道类星体的尺度约为 。
从光度和尺度出发，在1969年，著名的Lynden Bell讨论了射电噪类星体的能源。类星体的寿命约为 年，因此，光度为 的类星体在一生中释放的总能量为 ，即。很明显，这也是类星体的能量下限。定义核反应的能量释放效率为 ，所生成的能量为E，质量为M，则根据公式 ,得到的 。而对于一个尺度为 、质量为 的类星体，其所蕴含的引力势能至少将达到 。因此，Lynden Bell认为，类星体的最重要的能源是引力收缩。
让我们考虑一个质量为 的史瓦西黑洞，其半径就是引力半径 。在距离黑洞中心 处、质量为 的物体的引力势能为 。如果物体从远处被黑洞吸积到 处，它所获得的能量E在不考虑相对论效应时为 ，这意味着能量转化的效率 ，比核反应的效率高了一个量级。
但是需要指出的是，Lynden Bell当时并没有要求类星体中心一定是一个黑洞，而当时也存在着诸如巨脉冲星模型和致密星团模型。
首先，类星体光变没有周期性，这就否定了巨脉冲星模型，因为巨脉冲星的自转一定会带来周期性。其次，类星体光变的自相关函数也否定了致密星团模型。
因此，类星体中心是一个超大质量黑洞便成了最好的模型。
参考文献：
黄克谅. 类星体与活动星系核[M]. 中国科学技术出版社, 2005.
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