作者| NASA
译者| Paradox
校对| Xinz
这个系列翻译自NASA的Objects of Interest专栏。专题将会更新17次，每次将会更新一个小节。如果有不清楚的地方请留言，我会根据情况回复大家，或者再做新的板块进行补充。译者知识水平和翻译水平都有限，请大家多多包涵指教。
宇宙不仅仅是恒星、尘埃和空旷漆黑的深空。在《令人着迷的天体》专栏中我们将会介绍宇宙中存在的17种天体，有我们最为熟悉的太阳、遥远的脉冲星、直到最近人类才一睹其真容的黑洞，也有目前尚未查明真身的暗物质天体。美国的天文学家卡尔·萨根(Carl Sagan)曾说:"如果你想从头开始制作苹果派，就得先创造宇宙。"
"If you wish to make an apple pie from scratch, you must first invent the universe."― Carl Sagan
人类是如此的幸运，在我们开始制作苹果派之前，宇宙就已经在那里了，无数的天体就开始在我们头顶上的星空里闪烁了。我们无需理会宇宙如何形成基本粒子、基本粒子如何组合形成不同元素、不同元素的原子离子如何发生化学反应形成物质、如何才有太阳和地球、如何才有水土和生物、如何演化才有生活在地球上的我们和作物。我们只需要准备好苹果派所需要的原料和工具，参考着买来的苹果派烹饪指南就可以开始制作苹果派。
而《令人着迷的天体》专栏就正是供那些对从头烤制苹果派流程好奇的人们阅读的扩展烹饪指南(笑)。
1. 活动星系(Active Galaxy)
活动星系最大的特点是它的中心有一个尺寸小却能大量释放能量的"核心"。与其他星系相比，核心部位往往活动相当剧烈而且异常明亮。
对于正常星系，我们简单地认为正常星系释放的总能量是该星系中每个恒星的释放能量总和。但是这种估算方式活动星系的情况下并不适用，活跃星系中的释放的能量相比于普通星系要多得多，并且我们在射电、红外、紫外和X射线波段中均发现了能量超出的现象。活动星系核(Active Galactic Nucleus, AGN)是活动星系中最明亮的核心部分。虽它只占整个活动星系很小的一部分，光度却能和整个星系相匹敌，所以一般使用"活动星系核"来指代整个"活动星系"。活跃星系核的能量释放情况如此反常，让人不禁好奇在这些星系中到底发生了什么，是什么物理机制产生了如此高能量的输出呢？
大多数的正常星系中心都有一个超大质量的黑洞。而在一个活动星系中，其超大质量黑洞会从星系中物质密集的中心区域吸收物质。当大量的物质因为引力落入黑洞时，在角动量的作用下物质会绕黑洞旋转下落形成扁平物质盘，被称为吸积盘(Accretion Disk)。在吸积盘中的物质会因为自身重力作用被加速和彼此间摩擦作用而被加热。
图1.活动星系中心区域的概念图.(图片来源: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)
我们常常讨论的活跃星系模型中还包括了一个包含冷的气体和尘埃的区域，这个冷的区域看起来像一个巨大的甜甜圈，而黑洞和吸积盘位于甜甜圈的孔中。大约有
的活动星系核中的黑洞和吸积盘会沿着近乎垂直于盘面的两个方向，喷射出立体角很小的高能粒子束。这些几乎以光速喷出的喷流是电波段发射源。
活跃星系的性质取决于中心的黑洞质量、黑洞吸积率、是否具有强大的喷流以及我们观察该活动星系的角度。其中射电星系(Radio galaxy)、类星体(Quasar)和耀变体(Blazar)是具有强大喷流的活动星系。物质可以喷流向星系外外传播进入广袤的星际空间。我们观察到的活动星系核之间出现的明显差异是由于我们地球是否是正对着喷流。如果喷流差不多正对着我们地球，我们就会认为活动星系核是耀变体或者是类星体。
图2.活动星系核(AGN)的不同部位.活动星系核的极高亮度是通过超大质量黑洞吸积物质来提供能量的.一些活动星系核具有喷流，而另一些则没有. (图片来源: Aurore Simonnet, Sonoma State University)
我们对活跃星系在各个波段下的辐射行为都进行了深入研究。由于活动星系核在短时间内各个波段的辐射行为可以剧烈改变，同时进行研究分析是一种行之有效的手段。X射线和γ射线观测是多波段天文学中既高能又重要的一部分，因为许多高能的类星体主要辐射这些波段的辐射。活动星系核中的X射线产生的位置非常靠近位于中心的黑洞，因此对核心处X射线的研究可以为天文学家提供有关中核心位置发生的物理过程的信息。而γ射线观测就能为天文学家提供有关类星体喷流中粒子加速过程的信息，以及提供喷流粒子如何与其周围环境相互作用的线索。
图3.左图显示的是椭圆星系NGC 4261的地基望远镜的光学和射电合成图像.在可见光(白色)观测下星系呈现为千亿颗恒星组成模糊的盘状结构.而射电图像(橙色)显示了一对从核发出的相对论性的喷流，它们跨越了88,000光年的距离;右图显示了哈勃太空望远镜对NGC 4261星系核的观测图像.巨大的冷气体云和尘埃盘跨度约为300光年，可能在为银河系中心一个黑洞提供物质.当吸积盘与视线的倾角足够大时(约60°)，可以清楚地观察到其明亮的核心，该核心处可能有巨大质量的黑洞.(图片来源: NRAO, Cal Tech, Walter Jaffe/Leiden Observatory, Holland Ford/JHU/STScI, and NASA)
活跃星系作为X射线和γ射线源
处于活跃星系中心的尘埃和气体会掩盖我们对星系核的光学观察。但是如有其他波长的光可以穿过尘埃和气体，我们便可借此一窥这些星系明亮中心的全貌。
图4.漩涡星系NGC 4151的中心区域在射电、光学和X射线下的合成图像.通过NSF的甚大阵(VLA)观测中性氢得到的射电图像(红色);来自拉帕尔玛岛1m口径的雅克布·卡普坦望远镜(Jacobus Kapteyn Telescope)通过观察带正电的氢离子("H II")得到的光学图像(黄色);来自钱德拉X射线天文台的X射线图像(蓝色).红色椭圆区域中的黄色斑点表明了最近发生恒星形成的区域.(图片来源: X射线: NASA/CXC/CfA/J.Wang et al.; 光学: Isaac Newton Group of Telescopes, La Palma/Jacobus Kapteyn Telescope; 射电: NSF/NRAO/VLA)
研究来自活动星系核的X射线有助于我们理解这些星系正在发生的物理过程。对活动星系核的早期X射线观察结果表明，在非常短的时间尺度上核心处的X射线亮度也可以有较大的变化。这种剧烈活动表明了X射线辐射被局限在相当小的区域内。而X射线快速变化、高能量输出以及辐射区域小这三个特点都表明了黑洞吸积过程为这些活动星系提供了巨大的能量。
由于X射线在非常靠近中心黑洞的位置产生，因此研究X射线可以让我们了解在活动星系核处发生的高能过程。在某些情况下高能X射线也具有穿透气体和尘埃的能力，因此X射线可让我们观察到高度模糊的活动星系核。
黑洞会因为自身的强大引力而吸引周围的物质例如气体或者尘埃等。如果有足够多的物质，则会形成吸积盘。吸积盘中的物质会围着黑洞绕转下落，加速的过程中相互摩擦生热发出X射线。当物质最终被黑洞吞噬时，自身也被加速到相当高的速度并发射X射线。一些吸积物质也可以随着喷流沿着吸积盘的旋转轴从黑洞中逃逸出来。而喷流发出的电磁波在全波段上均可以观测到。
近年来，γ射线天文学最显着的趋势就是随着一系列可以释放高能γ射线的类星体的发现，天文学家主要到它们是γ射线天空中的重要组成部分。实际上，Fermi望远镜在运行的头7年中，一共检测到了1000多个活动星系，其中大多数是耀变体。在γ射线天空下来看，这些活动星系异常的明亮，且在所有能量波段上都是剧烈变化的。与塞弗特型活动星系核(Seyfert)不同，大多数的耀变体都几乎首先在高能量波段下被观测到。于是人们推断耀变体极有可能是宇宙中最强大的"粒子加速器"，才能在如此高的能量下产生如此强的γ射线发射。
图5. 这张全天图展示了Fermi望远镜5年的观察数据.天图中更亮的区域表示γ射线源更多的天区.其最突出的特征是沿着天图中心(银河系的中心平面)的弥漫γ光背景.用白色圆圈突出显示的是极端活跃的活动信息:耀变体(Blazar).它们是Fermi望远镜最常检测到的天体，占费米卫星二号目录(Fermi Large Area Telescope Second Source Catalog)中总辐射源数目的57％.(图片来源: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration)
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