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类星体的发现史堪称天文学史上的重要转折。
20世纪50年代,天文学家通过射电望远镜发现了一批强射电源,但在光学望远镜中只能看到模糊的光斑。
1963年,马丁·施密特(aartenschidt)分析3c273的光谱时,发现其谱线具有巨大红移(z≈0158),对应距离约24亿光年。
如此遥远的距离下,其亮度却相当于1000个银河系,这意味着中心必须有一个高效的能量源——超大质量黑洞的吸积过程。
这一发现颠覆了人类对宇宙能量释放的认知。
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类星体的光度(总辐射能量)与其黑洞质量、吸积率直接相关。
根据爱丁顿极限(eddgtonliit),黑洞吸积物质时,辐射压力会与引力平衡,此时吸积率达到最大值。
对于ton618这样的超大质量黑洞,其爱丁顿光度约为14x1041瓦(相当于28x1014倍太阳光度),而实际观测到的光度甚至超过了这一极限——这意味着ton618可能处于“超爱丁顿吸积”
状态,其吸积盘效率极高,或存在特殊几何结构(如倾斜的吸积盘)允许更多辐射逃逸。
三、ton618的发现:从模糊光斑到宇宙纪录保持者ton618的发现可以追溯到20世纪50年代末。
当时,天文学家使用墨西哥托南钦特拉天文台(tonantztobservatory)的施密特望远镜进行巡天观测,目标是寻找强紫外辐射的天体。
1957年,它在巡天图中被标记为“tonantzt618”
,最初被认为是一颗特殊的恒星。
直到1970年代,随着光谱技术的进步,天文学家才意识到其真实身份。
关键突破来自对其光谱的分析。
类星体的光谱特征鲜明:在连续光谱的背景上,叠加着宽发射线(broadeissionles)和窄发射线(narroweissionles)。
宽发射线来自黑洞吸积盘附近的高速气体(速度可达数千公里秒),窄发射线则来自吸积盘外围的低速气体(速度数百公里秒)。
通过测量宽发射线的宽度,结合多普勒效应,可以计算中心黑洞的质量。
1980年代,天文学家利用凯克望远镜(kecktelespe)获取了ton618的高分辨率光谱,发现其氢和氦的宽发射线宽度对应的速度高达7000公里秒。
结合引力红移和开普勒定律,计算得出其中心黑洞的质量约为100亿倍太阳质量。
但随着观测设备的升级,尤其是哈勃空间望远镜和x-牛顿卫星的应用,这一数值被不断修正。
2009年,通过分析更精确的光谱数据,科学家将其质量上调至660亿倍太阳质量——这一数值至今仍是ton618作为“最大黑洞候选者”
的核心依据。
四、660亿倍太阳质量:一个难以想象的天体尺度要直观理解660亿倍太阳质量的概念,我们可以进行一些对比。
银河系中心的超大质量黑洞sgra(人马座a)质量约为430万倍太阳质量,ton618的质量是它的15,000倍。
若将sgra的事件视界(半径约2400万公里,相当于水星轨道的13)放大到ton618的尺度,其事件视界半径将达到约1920亿公里——这一距离超过了海王星轨道(约45亿公里)的40倍,甚至可以容纳整个柯伊伯带(太阳系边缘的小天体带)。
更惊人的是其史瓦西半径(事件视界半径)对应的质量-半径关系。
根据广义相对论,黑洞的史瓦西半径r_s=2gc2,其中g是引力常数,是质量,c是光速。
对于ton618,=66x109☉(☉为太阳质量,约2x1030kg),代入计算得r_s≈19x1013米,即约13x104天文单位(1天文单位≈15x1011米)。
这一尺度相当于从太阳到奥尔特云(太阳系最外层)距离的13——换句话说,ton618的事件视界足以吞噬整个奥尔特云,将太阳系完全包裹在其引力牢笼中。
尽管质量庞大,ton618的实际体积却远小于人们的想象。
黑洞的所有质量都集中在一个没有体积的奇点,事件视界只是其“引力边界”
。
但吸积盘的存在让它的“存在感”
变得具体——ton618的吸积盘由下落的气体和尘埃组成,主要成分为氢和氦,温度高达数百万摄氏度。
由于物质摩擦和引力能释放,吸积盘发出强烈的电磁辐射,从无线电波到伽马射线均有覆盖,其中可见光和紫外线波段的亮度尤为突出,相当于140万亿个太阳的总亮度——这相当于将140个银河系的光集中在一个类星体上。
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