类星体,因其在光学上看起来像恒星一样明亮而得名,其实它既非恒星,也非星系,而是一类活动星系核,它的中心被认为存在着千万倍太阳质量以上的超大质量黑洞。由于类星体十分明亮,它能够在很遥远的宇宙中被我们观测到,而我们今天所看到的类星体是它在遥远时期所发出的光到达地球时的样子,因此我们能够“借助”类星体来探索宇宙早期的状态。
目前被广泛接受的宇宙学模型表明宇宙的年龄约在150亿年,而红移大于5所对应的宇宙年龄仅在11亿年左右。
天文学家们也因此不断地搜寻超高红移的类星体,从而试图通过观测它们来建立起我们对宇宙早期的认识。由于红移越高相应的视亮度和视尺寸都会变得很小,因此在红移特别高的时候,我们所能观测到的类星体会变得十分稀少。
在当前最灵敏的光学望远镜的巡天观测中,所发现的类星体的红移最高达到了7.08,而红移大于5的类星体也发现了100多颗。然而由于光学望远镜分辨率的限制,其角秒量级的分辨率使得所观测到的这些类星体都是一颗颗十分致密的点源,除了亮度和谱线之外,所得到的信息十分有限。那该怎么办呢?
具有高分辨率本领的甚长基线干涉技术(Very Long Baseline Interferometry,以下简称VLBI)提供了一种新可能。近日,中科院上海天文台的科研人员(本文作者是团队成员之一)在对高红移类星体的调研中,利用VLBI技术对宇宙早期的一颗射电噪类星体J0906+6930进行了研究。他们发现了什么,又是如何做到的呢?
随着科学技术的发展,如今的天文学观测已从光学观测发展为全波段观测,由于射电辐射可以畅通无阻地穿过大气层到达地面,因此射电望远镜无需步入大气层以外,建造在地面上即可。射电观测至今也成为了主流的天文观测手段之一。如今,我国在射电天文上的发展取得了令人瞩目的成就。
上海天文台于2012年建成的天马65米口径望远镜是亚洲口径最大的可动射电望远镜,已经投入观测运行,而在贵州刚刚完工的FAST望远镜则是世界上最大的球面射电望远镜,其直径足有500米。中科院新疆天文台正在筹建世界上最大的全可动110米射电望远镜。如此大口径的望远镜极大地提高了射电观测的灵敏度,使得我们能够探测到更为微弱的射电源。
由于望远镜的分辨率与望远镜的口径成正比,与观测波长成反比,因此射电望远镜要想达到和超越光学观测的分辨率,须建造口径为几千米的望远镜,如此大口径的单体望远镜在实际上显然是不可能达到的。然而VLBI的应用改善了射电观测的这一处境。VLBI技术通过联合多个射电望远镜进行观测,可以将其等效为一个口径为这些望远镜最大间距的超大望远镜。望远镜之间的距离被称为基线,基线越长,形成的干涉望远镜阵列的分辨率越高。
美国、欧洲和亚洲均已建成基线达几千公里的VLBI观测网,对应的图像分辨率最高能够达到亚毫秒量级,比哈勃望远镜分辨率提高了数百倍,极大地提升了射电天文在天体精细结构成像中的地位。
各种观测研究表明,射电类星体与光学类星体并不是一一对应的,两类样本重合的数目仅占光学类星体的十分之一左右。这十分之一被称为射电噪类星体,而另外九成没有被射电观测找到的则被称为射电宁静类星体。
目前射电观测到的类星体红移最高为6.21,其在5GHz的亮度仅为1毫央斯基,这个数值已经接近当前射电探测的极限,而红移大于5的射电噪类星体也仅发现了10颗左右。高红移的射电源是一类既特殊又罕见的天体,无疑对于认识宇宙早期超大黑洞具有很高的观测研究价值。
在对高红移射电噪类星体样本的调研中,上海天文台的科研团队重点研究了一颗红移为5.47的耀变体J0906+6930。
耀变体是一类十分“暴躁”的类星体,它们通常具有剧烈的射电喷流且喷射的方向接近我们观测它的视线方向,这样的辐射会由于多普勒效应的增强使得我们看到它的亮度会大大增加。J0906+6930于2004年首次被VLBI发现,虽然它不是样本中唯一一颗耀变体,但却是样本中最明亮的类星体,它在5GHz的流量密度超过了100毫央斯基。
上海天文台研究人员本次利用了东亚VLBI网对其进行了22GHz的观测,所得到的图像显示出它高亮度和致密的特点。
这颗距离我们110亿光年的遥远类星体所处的阶段只有宇宙十分之一年龄,那时的宇宙刚刚完成再电离不久,第一代恒星的诞生发出了第一缕曙光照亮了宇宙,而如此明亮的类星体很有可能是宇宙中的第一代超大质量黑洞,因此J0906+6930对于研究宇宙早期黑洞演化和星际环境具有极高的观测价值。
对于这颗源,该研究团队已经申请了进一步的高灵敏度的VLBI观测,以期研究其喷流的细致结构,探测高红移星系的星际介质环境。天文学家对于高红移类星体和宇宙早期星体的演化还在不断的研究和探索中。而J0906+6930这颗源无疑是一盏明灯,指引着我们发掘更多宇宙早期的奥秘。